CppCon 2018 学习:Sane and Safe C++ Class Types-EW帮帮网

这段内容讲的是 C++ 中的“值类型”（Value Types）或者更正式的“Regular Types”的概念。

要点总结：

标准容器（如 std::vector, std::list 等）期望其元素类型满足“半正规”（semi-regular）或“正规”（regular）类型的要求。
这些容器也可以支持非默认构造或只能移动（move-only）的类型，但功能会受限。

Regular 类型需要满足的属性：

EqualityComparable: 支持 == 和 != 操作符。
DefaultConstructible: 能默认构造，比如 T{}。
Copyable: 支持拷贝构造和拷贝赋值（T(const T&) 和 operator=(const T&)）。
Movable: 支持移动构造和移动赋值（T(T&&) 和 operator=(T&&)）。
Swappable: 能交换两个对象 swap(T&, T&)。
Assignable: 支持赋值操作 t1 = t2。
MoveConstructible: 能移动构造。

额外的要求（可选）

Ordering: 如果需要排序，类型应支持 < 操作符，并且 std::less<T> 应该有效。
比较操作应一致且符合逻辑。

C++20 新特性

引入了三路比较运算符（spaceship operator <=>），极大简化了比较运算的实现。
你可以把“Regular Types”想象成一个值类型的“理想模型”，C++ 标准库容器和算法在设计时大多以此为基础，保证它们能正确、高效地操作这些类型。

这段内容讲的是不同类别的类型（Types）在C++里的安全性和管理难度，特别强调了“Value Types”（值类型）的“理智和安全”（Sane and Safe）。

内容拆解和理解：

1. Managing Types（管理类型）

Pointing Types（指针类型）
- 危险（dangerous）：裸指针（plain pointers）很危险，因为它们自己不管理内存，容易造成悬空指针、内存泄漏。
- 高纪律（high-discipline）：用裸指针需要程序员非常小心，严格管理内存生命周期。
- 对象多态（OO polymorphic Types）：通常用裸指针做多态时，必须严格管理，容易出错。
特殊成员函数的奇怪组合（weird combinations of special members）
- 比如你自己写了复制构造、移动构造、赋值操作符等，组合不当会产生问题。
智能指针
- unique_ptr：推荐用来管理动态内存，是比较理智（sane）的选择。

2. 值类型 (Value Types)

安全（safe）
理智（sane）
不需要程序员去管理内存生命周期，赋值和复制都是直接值复制，行为简单明确。
通常指像 int, double, bool 这样的内置类型，或者设计良好的类（满足Regular类型要求的类型）。

3. 空类型 (Empty Types) 和库专家 (Library Experts)

提示库设计者可以用 std::variant<...> 之类的安全类型来替代裸指针或复杂管理的类型，达到更安全和可维护的代码。

总结

裸指针是危险的，需要谨慎使用。
智能指针（如unique_ptr）是理智的指针管理方式。
值类型是最安全和理智的类型，推荐优先使用。
现代C++鼓励用安全类型（variant等）替代裸指针和复杂的内存管理。

这段话主要讨论的是内置基础类型（primitive types）比如 `int`、`char`、`bool`、`double` 是否真的“安全（safe）”和“理智（sane）”。

理解要点：

基础类型通常是安全和值类型（Regular value types）
它们自带拷贝、赋值、比较操作，这些都是标准定义好的，没问题。
但是，代码里出现了一个叫 InsaneBool 的例子，演示了一个“迷惑”或“不安全”的用法：

void InsaneBool() { 
    using namespace std::string_literals; 
    auto const i { 41 }; 
    bool const throdd = i % 3;        // 这里 i % 3 = 41 % 3 = 2
    auto const theanswer = (throdd & (i+1)) ? "yes"s : "no"s; 
    ASSERT_EQUAL("", theanswer); 
}

这个例子中：
- i % 3 是 2，但赋给了 bool，bool 会隐式转换为 true（非零即真）。
- 接下来 (throdd & (i+1)) 实际上是 bool & int 的位运算，throdd 会被提升成 int（1或0），i+1=42。
- 1 & 42 = 0? 其实 42 二进制是 ...101010, 和 1做位与是 0，所以条件为假。
- 结果是 theanswer 变成 "no" 字符串。
- 断言是 ASSERT_EQUAL("", theanswer); 其实这里断言失败，因为 theanswer 是 "no"，不等于空字符串。

这说明了什么？

虽然基础类型本身是安全的，编译器也允许隐式转换，但在使用时很容易因为隐式转换和运算规则搞错，导致程序逻辑错误。
换句话说，基础类型的“安全”是有前提的：你得用对了它们，否则可能会产生“疯狂”（Insane）的结果。

总结

基础类型自身符合 Regular value type 概念，操作简单，拷贝、赋值、比较都没问题，算“安全”。
但错误使用（如隐式转换和混合不同类型运算）会让程序表现“疯狂”，不安全。
所以，即使是基础类型，也需要程序员理解其行为规则，才能写出正确代码。

#include <string>
#include <iostream>
#include <cassert>  // 用于 assert
void InsaneBool() {
    using namespace std::string_literals;
    auto const i{41};
    bool const throdd = i % 3;  // i % 3 = 2，bool从非零转为 true (1)
    auto const theanswer = (throdd & (i + 1)) ? "yes"s : "no"s;
    // (throdd & (i+1)) == (1 & 42) == 0 -> 条件为 false，结果是 "no"
    assert(theanswer == "");  // 断言失败，因为theanswer是"no"，不是""
}
int main() {
    try {
        InsaneBool();
        std::cout << "Test passed.\n";
    } catch (...) {
        std::cout << "Test failed!\n";
    }
    return 0;
}

你的例子想揭示的是浮点数类型的“安全性”和“理智性”问题，尤其是在用浮点数做 `std::set`（依赖比较排序）时，出现了不符合预期的结果。

代码分析：

#include <vector>
#include <set>
#include <iostream>
#include <cassert>
void InterestingSetDouble() {
    std::vector<double> v{0.0, 0.01, 0.2, 3.0};
    std::set<double> s{};
    for (auto x : v) {
        for (auto y : v) {
            s.insert(x / y);
        }
    }
    // 期望大小： v.size()*v.size() - v.size() + 1
    // 解释：
    // v.size() = 4
    // v.size()*v.size() = 16
    // v.size()*v.size() - v.size() + 1 = 16 - 4 + 1 = 13
    assert(s.size() == 13);  // 这个断言是否成立？
    std::cout << "Set size: " << s.size() << std::endl;
}
int main() {
    InterestingSetDouble();
    return 0;
}

预期的大小 `13` 是怎么来的？

共16个 (x, y) 组合
除数为0（即 y==0）的情况下，x/y会导致 除以零，浮点数是无穷大或NaN，std::set会把这些值当成特殊值处理。
实际上 x / 0.0 会产生 +inf 或 -inf，多个除以0的结果都算同一个无穷大，所以这些插入不会增加集合大小。
因为除以0的结果都是 inf，多次插入相同的无穷大只算一个元素。
其他计算 (x/y) 产生的不同浮点数个数理论上是 16 - 4，减去那些除以自己得到的1的情况（因为除数和被除数是同一个值时，结果是1，会重复计数），所以用 16 - 4 + 1 = 13 作为预期。

但结果真的是13吗？

答案是 不一定！
由于浮点数的精度和比较特性，可能导致：

浮点计算误差导致某些 x / y 结果非常接近，但不完全相等，从而导致插入更多不相等的元素。
NaN 和无穷大特殊值的处理可能会影响集合大小。
另外，0.0 / 0.0 会得到 NaN，NaN和任何值比较都是false，插入set行为也会特殊。

实际运行输出

Set size: 15

实际的大小可能大于预期的13，这说明浮点数的比较和行为很“不可预测”或“非直觉”。

总结

语言基础类型虽然看起来“安全”，但浮点数的比较行为导致容器中的行为不总是符合预期。
这就是“语言类型不完全安全、理智”的体现。
你不能简单地把浮点数当做完全可靠的键来使用。

运行的结果是 Set size: 1，这显然和你预期的13不符，甚至比13还小很多。这个结果非常极端，说明发生了什么特殊的事情。

为什么结果是1？

让我们看看计算 x / y 的值具体都是多少：

v = {0.0, 0.01, 0.2, 3.0}
组合 (x, y)，计算 x / y：
| x \ y | 0.0 | 0.01 | 0.2 | 3.0 |
| ----- | ------------- | ------------ | ------------- | ---------------- |
| 0.0 | 0.0/0.0 = NaN | 0.0/0.01=0.0 | 0.0/0.2=0.0 | 0.0/3.0=0.0 |
| 0.01 | 0.01/0.0=inf | 0.01/0.01=1 | 0.01/0.2=0.05 | 0.01/3.0~0.0033 |
| 0.2 | 0.2/0.0=inf | 0.2/0.01=20 | 0.2/0.2=1 | 0.2/3.0~0.0667 |
| 3.0 | 3.0/0.0=inf | 3.0/0.01=300 | 3.0/0.2=15 | 3.0/3.0=1 |

关键点：

0.0 / 0.0 是 NaN（不是一个数字）
x / 0.0 是 inf（无穷大）
NaN 和任何值都不相等，但是 std::set<double> 用的是 < 比较而不是 ==，而且 IEEE 浮点的NaN不满足严格的排序关系，插入行为很怪异
你可能遇到了 NaN 导致集合行为异常：插入 NaN 后，std::set不能正确排序，导致它把所有值都认为相等或者没有插入成功

你的程序为什么只输出1？

大概率是：

std::set插入了第一个元素后（可能是NaN），后续插入都失败了，因为NaN比较关系不符合严格弱排序（std::set的要求）
导致最终集合大小是1

如何验证？

打印所有插入的值：

#include <vector>
#include <set>
#include <iostream>
#include <cassert>
#include <cmath>
void InterestingSetDouble() {
    std::vector<double> v{0.0, 0.01, 0.2, 3.0};
    std::set<double> s{};
    for (auto x : v) {
        for (auto y : v) {
            double val = x / y;
            std::cout << "Insert: " << val;
            if (std::isnan(val)) std::cout << " (NaN)";
            if (std::isinf(val)) std::cout << " (inf)";
            std::cout << std::endl;
            s.insert(val);
        }
    }
    std::cout << "Set size: " << s.size() << std::endl;
}
int main() {
    InterestingSetDouble();
    return 0;
}

输出结果:

Insert: -nan (NaN)
Insert: 0
Insert: 0
Insert: 0
Insert: inf (inf)
Insert: 1
Insert: 0.05
Insert: 0.00333333
Insert: inf (inf)
Insert: 20
Insert: 1
Insert: 0.0666667
Insert: inf (inf)
Insert: 300
Insert: 15
Insert: 1
Set size: 1

你会看到 NaN 和 inf 出现的情况，证明NaN破坏了集合的正确排序。

解决方案

不要把NaN作为std::set的元素，它会破坏容器的排序
过滤掉除零情况，或者用一个更健壮的数据结构/比较函数处理浮点特殊值
你可以自己写一个比较器，排除NaN或把NaN当作最大值处理

总结

浮点数中的特殊值NaN会导致std::set<double>行为不符合预期，插入失败或者重复被忽略。
这就体现了浮点类型在容器使用时“非理智”的地方。
你需要特别处理这些特殊值，避免破坏容器的排序和元素唯一性保证。

C++中标准库容器作为“正规”类型（Regular Types）时的安全性和理智性，以及它们底层使用的内建类型（primitive types）导致的一些经典坑。

核心点总结：

容器本身通常是“正规”类型（Regular value types），前提是它们的元素类型和模板参数满足“正规类型”的要求（可复制、可赋值、可比较、可移动等）。
- 这意味着容器通常有“安全”的复制、赋值和比较语义。
但容器依赖的内建类型存在各种“怪癖”和陷阱：
- 整型提升（Integral promotion）
  - 遗留自C语言的一套复杂规则，包含bool和char也作为整型处理
  - 混合有符号和无符号整数参与算术时容易产生隐式转换和潜在bug
  - 许多编译器警告被强制转换掩盖掉，导致潜在错误
  - 整数溢出行为不同，可能是环绕（wrap around）、未定义行为，或者硬件的**进位位（carry bit）**信号
- 自动数值转换（Automatic numeric conversions）
  - 整数、浮点数和布尔之间自动转换复杂且容易出错
  - 特别是如果自定义类型有隐式构造函数或隐式转换操作，极易引起歧义和意外转换
  - 建议不要让类类型有隐式转换，应尽量使用explicit防止自动类型转换
- 浮点数的特殊值问题
  - 浮点数存在+∞、-∞、NaN，往往被忽略
  - 比较浮点数时要小心，必须保证比较满足严格弱序（strict weak ordering）或更强的要求，否则容器等会出错

代码中`printBackwards`函数的bug

void printBackwards(std::ostream &out, std::vector<int> const &v) {
    for (auto i = v.size() - 1; i >= 0; --i)
        out << v[i] << " ";
}

v.size()是size_t类型，无符号整数
当v为空时，v.size() - 1实际上是一个非常大的无符号数（因为size_t会绕回最大值），导致循环条件永远成立，进而越界访问v，产生未定义行为。
这是整型提升与无符号数陷阱的典型示例
正确写法：

void printBackwards(std::ostream &out, std::vector<int> const &v) {
    for (auto i = static_cast<int>(v.size()) - 1; i >= 0; --i)
        out << v[i] << " ";
}

或者：

void printBackwards(std::ostream &out, std::vector<int> const &v) {
    for (size_t i = v.size(); i-- > 0; )
        out << v[i] << " ";
}

总结

标准库容器本身在元素满足正规类型要求时是“安全”和“理智”的类型。
但它们依赖的内建类型及其复杂的规则，比如无符号整数的溢出、整型提升、自动转换、浮点特殊值等，容易引入难发现的bug。
应避免隐式类型转换，显式处理特殊值，仔细管理整数和浮点比较。

C++中滥用内建类型（primitive types）所带来的深层问题，特别是在标准库和用户代码中，以下是详细解释和理解：

问题总结：内建类型的问题不仅仅是“语法上允许”，更是语义上的混乱与脆弱性

1. 内建类型没有表达语义：

例如函数签名：

void fluximate(int, int, int);

你很难从调用 fluximate(3, 2, 1); 或 fluximate(1, 2, 3); 中推断每个 int 的含义（比如是不是某个时间、索引或距离等）。

理解： C++提供了零开销的强类型封装方法，例如使用 struct, class, enum class 来构建语义明确的类型。

示例：用类型包装原始值

struct Row { int value; };
struct Column { int value; };
struct Count { int value; };
void fluximate(Row r, Column c, Count n);
fluximate(Row{3}, Column{2}, Count{1});  // 可读性极大提升

2. “Named Parameters” 不是解决方案

有些语言（如 Python）通过命名参数调用解决这个问题：

fluximate(row=3, col=2, count=1)

但在 C++ 中，这并没有从根本上解决“类型安全”和“可维护性”的问题。封装成有语义的类型，才是更具 C++ 风格且零运行时成本的正确做法。

3. 标准库“错用”了内建类型当作语义类型

示例：

size_t、size_type: 实际语义是“元素个数”，应是自然数（包含0），即绝对值
ptrdiff_t、difference_type: 表示两个指针/迭代器之间的相对距离，可能为负

问题发生：

size_type __n = std::distance(__first, __last);  // std::distance 返回的是 difference_type（有符号），却赋值给了无符号 size_type！
if (capacity() - size() >= __n) {  // 混合无符号和有符号类型进行比较，警告出现
    std::copy_backward(__position, end(), _M_finish + 10 * difference_type(__n));  // 要强制转回 difference_type
    std::copy(__first, __last, __position);
    _M_finish += difference_type(__n);  // 又一次强转
}

总结这个痛点：

使用了错误的类型表示语义不同的值
导致频繁的强制类型转换 static_cast<>
编译器警告变得难以判断是否合理
若处理不当可能隐藏逻辑 bug

建议与最佳实践：

场景	建议做法
表达明确语义的值	用 `struct X { T value; };` 强类型封装
size vs. difference	区分 `size_type` 和 `difference_type`，避免隐式转换
函数参数中多个相同类型	避免 `int,int,int` 这样的签名，用结构体替代
标准库与用户类型互操作	使用 `explicit` 构造函数防止隐式类型转换
防止 unsigned/signed 比较警告	明确类型转换，避免混用 `size_t` 和 `int`

示例：更好的函数签名与类型

struct Index { int value; };
struct Count { size_t value; };
void resize_buffer(Index start, Count size);

相比：

void resize_buffer(int, size_t);  // 哪个是起点？哪个是大小？

对C++类型系统中“值的安全性与语义”的层次进行分类和批判，特别是针对物理量（dimensions）和语义清晰的类型设计。下面是对这部分内容的理解与扩展解释：

主题：Dimensions Safety and Sanity（单位与语义的安全性）

这段话想表达的是：

用 int、double、unsigned、std::string 这样的原始类型来代表有单位/语义的值（如距离、温度、速度、金额等）是危险的，应当使用更强语义的**值类型（Value Types）**进行封装。

分类解释图（文字版）

类别	说明
Dangerous	使用原始类型表达有单位含义的值，比如：`int speed = 100;`。完全无语义。
High-discipline	理论上能用，但需要极高的人工约束来保证安全：程序员必须靠脑子记住哪些变量代表什么
Ill-advised	使用 `unsigned` 表示数量，可能出错（比如循环倒着走就崩了）
Sane	封装为带语义的“值类型”，如：`struct Speed { int kmph; };`
Safe	理想做法。类型系统本身就能表达“这是什么东西”，无需靠注释或命名去区分

举例：危险用法

void travel(int distance, int duration);  // 哪个是距离？哪个是时间？单位是什么？
travel(100, 60);  // 100 米？公里？秒？分钟？全靠猜

理想的语义类型（Whole Value Pattern）

struct DistanceInKm { double value; };
struct TimeInMin { double value; };
void travel(DistanceInKm d, TimeInMin t);
travel(DistanceInKm{100.0}, TimeInMin{60.0});

编译器能帮你防止错误调用（你不能把 Time 当作 Distance 用）
更容易调试、阅读、重构
如果你加单位检查（比如使用 units::km 这样的库）还能做物理量推导

与现实世界的类比

你不会拿“5”这个数字去倒咖啡，你得知道它是“5 杯”、“5 秒”还是“5 厘米”。

在代码中，没有类型语义的数值就是潜在 bug 的温床。

工具与实践

C++20 strong typedef（比如 using Distance = StrongType<double, struct DistanceTag>;）
Boost.Units / mp-units（C++23 草案）：让编译器能检测物理量错误
struct 封装是最朴素、最通用的做法
禁止 unsigned 表示索引/数量，尽量用 int 或封装过的类型

总结一句话：

**用类型表达程序的意图。**原始类型表达不了你的业务含义时，就别继续用它。

这段内容阐述的是 Whole Value Pattern（完整值模式），它出自 Ward Cunningham 的 CHECKS 模式语言，是面向对象设计中的一种增强类型安全与表达力的建模思想。我们来逐点理解：

核心理念：Whole Value Pattern 是什么？

**Whole Value Pattern（完整值模式）**的主张是：

“不要用 int、double、string 这样的原始类型来表达业务中具有语义的数量、参数或单位，而是使用专门的值类型（value types）来封装它们的全部语义。”

不良示例：原始类型滥用

void purchase(int itemCode, int quantity, double price);

问题：

参数毫无语义，含糊不清
容易参数顺序写错、单位错误
不利于阅读、维护、测试

改进方案：Whole Value 模式

struct ItemCode {
    std::string code;
};
struct Quantity {
    int count;
};
struct Price {
    double amount;
};
void purchase(ItemCode code, Quantity qty, Price price);

优势：

明确表达业务语义（可读性高）
更安全，编译器能检查类型是否匹配
更容易扩展（比如以后加税率、折扣等）

关键思想详解

1. “最底层的单位”（如 `int`、`string`、`double`）是不安全的

这些基本类型可以表示任何东西，所以本身并不表达任何具体含义。

这是 C 风格编程的遗毒：当年为了性能妥协，没有抽象手段。现在有更强的抽象（结构体、类型别名、模板、concepts），我们应该用它。

2. 用专门的值类型进行建模

“Construct specialized values to quantify your domain model…”

这些值类型（value objects）应该：

捕捉值的全部语义（不仅仅是数字，还包括单位、有效范围、含义）
保持通用性（不与特定业务绑定）
提供构造函数、格式转换、I/O 接口等

struct WeightKg {
    double value;
    explicit WeightKg(double v) : value(v) {
        assert(v >= 0); // 不允许负质量
    }
};

3. UI 层负责字符串/数值 → 值对象的转换

“Include format converters…”

业务逻辑应当只接收类型安全、结构良好的对象。格式转换应在 输入/输出边界完成，例如：

WeightKg parseWeightFromUserInput(std::string input);
std::string formatWeight(WeightKg w);

4. 禁止业务逻辑处理“裸字符串”或“裸数字”

“Do not expect your domain model to handle string or numeric representations…”

这也是 SRP（单一职责原则）的一部分：解析与验证输入应与业务逻辑分离。

总结一句话：

不要让你的程序处理半个值。封装整个含义、限制、格式为值类型，用它来传递信息。

你这段内容是对 Whole Value Pattern（完整值模式）的最简化实现和实际应用的展示，非常重要、也非常实用。

最简版 Whole Value Pattern

struct Wait {
    size_t count{};
};
void check_counters(Wait w, Notify n);

这就是 Whole Value Pattern 的“最小可行实现（Minimal Viable Product）”：

不直接用 size_t、int 参数
封装成带有含义的结构体 Wait 和 Notify
明确了业务语义：“等待次数”、“通知次数”，让调用更清晰、更安全

示例：

check_counters(Wait{0}, Notify{2});

相比：

check_counters(0, 2); // ← 这两个数字代表啥？看不出来

你一眼能看出每个参数的含义，无需查函数声明。这就是 Whole Value 的意义所在！

可扩展性示例：重载操作符

void operator++(Wait &w) {
    w.count++;
}

给 Wait 添加 ++ 操作符，就可以自然地使用：

Wait w{1};
++w;

这种方式将行为内聚到值对象中，减少了错误操作的风险，也使得代码更可读。

聚合初始化（Aggregate Initialization）

Wait w{3};
Notify n{2};

C++ 的聚合初始化机制让这种封装既安全，又不会带来运行时成本。
这是一种零运行时开销的类型安全增强手段。

总结：为什么这叫 “最简单的 Whole Value Pattern”

使用 struct 封装原始类型（如 int / size_t）
添加行为（如重载 ++）以避免裸值操作
通过聚合初始化保持调用简洁性
提高可读性、安全性、扩展性
如果你要写业务逻辑中带有含义的数值（如时间、计数、百分比、距离等），都建议用这种方式：

struct DistanceMeters { int value; };
struct TimeSeconds { int value; };
void move_robot(DistanceMeters d, TimeSeconds t);

而不是：

void move_robot(int d, int t); // 什么是距离？什么是时间？危险

你的这段内容讨论的是是否应该让一个值类型（whole value type）默认构造（default-constructible），也就是是否该写：

T() = default;

以下是对这段内容的逐句解析和理解：

应该默认构造的情况

“Yes, whenever there is a natural default or neutral value in your type’s domain”

也就是说：当这个类型在业务逻辑上有一个合理的“默认值”，你就应该允许它被默认构造。

例子：

int{}      // == 0
std::string{}  // == ""
std::vector<T>{} // 空容器

这些默认值在加法、拼接、扩展等语义下是自然的 “单位元”，所以它们是有意义的默认状态。

谨慎默认构造的情况

“Be aware that the neutral value can depend on the major operation: int{} is not good for multiplication”

比如：

对于乘法来说，int{} 默认值是 0，但乘法的单位元应是 1。
如果你的业务依赖“乘法”，默认构造可能会产生意外行为。

可以考虑默认构造的情况

“May be, when initialization can be conditional and you need to define a variable first”

例如：

MyType x;
if (condition) x = computeA();
else           x = computeB();

在这种情况下，你可能被迫需要默认构造一个变量以便之后赋值。
更好的做法：

使用 ?: 运算符
或者立即调用 lambda：

auto x = [&]() {
  return condition ? computeA() : computeB();
}();

如果你用这些技巧，就不需要默认构造了！

不应该默认构造的情况 #1：没有自然默认值

“No, when there is no natural default value”

比如：

struct PokerCard {
    Suit suit;
    Rank rank;
};

扑克牌没有“空牌”或者“默认牌”。允许默认构造意味着可能出现非法对象状态。
更好的做法是 只允许有意义的构造方式：

PokerCard(Suit s, Rank r); // 不提供默认构造函数

不应该默认构造的情况 #2：不满足不变式（invariant）

“No, when the type’s invariant requires a reasonable initialization”

比如：

class CryptographicKey {
public:
    CryptographicKey(std::vector<std::byte> keydata);
    //  不要写 CryptographicKey()=default;
};

一个密码密钥类必须一开始就包含有效的密钥，否则它就是无法安全使用的错误状态。

总结：何时应该写 `T() = default`？

情况	是否写默认构造
有自然默认值（如 `0`, `""`, 空容器）	Yes
业务逻辑上没法定义默认值（如扑克牌、加密密钥）	No
必须提前定义变量再赋值，无法用其他方式解决	Maybe（慎用）

深入探讨了单位安全（unit safety）、强类型（strong typing）和维度正确性（dimensional correctness）的问题，尤其聚焦于 C++ 中的库设计、抽象与类型系统。以下是详细的解析和理解：

问题：relative vs. absolute 混用导致的类型不安全

size_type __n = std::distance(__first, __last); // __n 是相对的（difference），但被赋值给 unsigned 类型（size_type）

❶ 错误的类型使用（相对 vs 绝对）：

std::distance 返回的是 相对值（difference_type，可能为负）
而 size_type 是 绝对值，无符号的 → 如果距离是负的就会出错（变成一个巨大的 unsigned 值）

❷ 类型强制转换掩盖了问题：

difference_type(__n)

这里人为地强转回来，但很危险：这种“来回强转”的代码可能隐藏真正的逻辑错误。

正确的做法：区分相对值 vs 绝对值

类似 <chrono> 中的 duration（时间间隔） vs time_point（时间点）

类比：

tp1 - tp2 = duration （两个时间点的差值）
tp1 + tp2 （两个时间点加起来毫无意义）
tp + duration = tp （在时间点上加时间间隔）
使用这种明确区分单位语义的设计风格，可以大大降低代码出错概率。

示例：位置 vs 位移

Vec3d 既可以表示“位置”，又可以表示“方向”或“位移”，这在物理上是不同单位！

例子：

Vec3d position1{1,2,3};
Vec3d direction{0,0,1};
auto result = position1 + direction; // 可行，但我们需要知道方向 != 坐标

使用两个强类型 Position3D 和 Vector3D 可以避免混淆。

使用“强类型”（Strong Typing）来增强类型安全

你提到了一些演讲者和方法：

参考资源：

Björn Fahller（ACCU 2018）
Jonathan Boccara
Jonathan Müller
Peter Sommerlad 自己提出的：PSST（Peter’s Simple Strong Typing）

PSST 示例解析：CRTP + Aggregate 实现无开销强类型

struct WaitC : strong<unsigned, WaitC>, ops<WaitC, Eq, Inc, Out> {};

WaitC 是 unsigned 的强类型封装
继承了 Eq, Inc, Out 操作（通过 CRTP 混入）
由于 Empty Base Optimization（EBO），没有额外内存开销

断言测试：

WaitC c{};
WaitC const one{1};
ASSERT_EQUAL(WaitC{0}, c);     // 默认初始化为 0
ASSERT_EQUAL(one, ++c);        // 支持前置++
ASSERT_EQUAL(one, c++);        // 支持后置++
ASSERT_EQUAL(2, c.get());      // c 值为 2

非常清晰地定义了使用方式，也让类型在语义上更明确。

总结：为什么需要强类型（Strong Types）

问题	原因
内置类型（int, unsigned, double）容易误用	没有语义约束
相对值与绝对值的混用	导致隐式转换错误
浮点特殊值（NaN, Inf）	破坏等价性与排序
可读性差	fluximate(1,2,3) 是啥？没人知道

最佳实践建议

避免直接使用 int, double, size_t 等内置类型表达含义复杂的值
使用 struct X { T value; }; 包装 —— 构造强类型
利用 CRTP + mixins 生成可组合的操作符而非手写
保留语义清晰的操作，如时间点 + 间隔 = 时间点
避免隐式转换，拒绝使用 .operator T() 除非必要

C++ 中一个非常有趣且强大的语言特性：空类（Empty Class）及其背后的 EBO（Empty Base Optimization），它确实可以在“你什么都没写”的情况下带来额外收益，下面是逐条解释你贴的内容：

Empty Classes - useful?

“In C++ Empty Class you get something for nothing!”

是的，在 C++ 中，一个不包含任何非静态成员的类称为 空类（Empty Class），例如：

struct Empty {};

你可能以为它什么也没做，也不占用空间。但由于 C++ 要求不同对象的地址不能相同，即使类是空的，仍然 默认占 1 字节空间（除非作为基类时，见下文）。

EBO（Empty Base Optimization）

EBO 指的是 编译器对空基类进行优化，不为其分配空间。
例如：

struct Empty {};
struct Derived : Empty {
    int x;
};

这时 sizeof(Derived) 可能是 4（只占 int x 的空间），而不是 5，因为 Empty 作为基类 不占空间。这是 “something for nothing” 的意思。
空类常用于：

类型标签（Tag Dispatching）
Traits 模板元编程
CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）中的 mixin 基类

Tags & Traits

struct InputIteratorTag {};
struct OutputIteratorTag {};

空类用于表示类型信息或行为标签，不需要任何成员，就能在模板中通过特化处理不同逻辑。

危险 VS 安全类型

图中的意思是，将不同的类型分为以下几类：

类型类别	风险程度	说明
`int`, `double`, `char`	危险	无语义信息，容易误用或混用
OO 多态类（虚函数类）	高要求	管理成本高，特别是组合、复制行为复杂
CRTP Mixins / Value Types	推荐	有静态类型信息，不影响大小，语义清晰
Empty Classes	推荐	尤其配合 CRTP，用于无状态的行为扩展
Pointer Types	危险	裸指针需要手动管理生命周期
强类型封装 (Strong Types)	推荐	提供语义安全，防止混用，如 `UserId`, `PixelCoord`

小结

空类并不无用，它们可以用作标签、类型标识、mixin 行为注入等元编程场景。
EBO 是一个重要优化手段，使你可以使用类型安全 + 零成本抽象。
在构建更健壮、类型安全的 C++ 代码时，空类 + CRTP + 强类型封装 是非常推荐的工具组合。

提供的内容涵盖了 C++ 中 Tag Types（标签类型）的使用方式，主要体现在以下几个方面：

什么是 Tag Types？

Tag Types 是一种 空类类型，其唯一目的是提供 类型信息，常用于：

模板函数的 重载选择（Tag Dispatch）
区分语义相似但操作方式不同 的调用
提高代码的可读性与安全性

常见 Tag 类型用法：

1. Iterator Tags（标准库迭代器标签）

用于表示不同迭代器的种类：

std::input_iterator_tag
std::output_iterator_tag
std::forward_iterator_tag
std::bidirectional_iterator_tag
std::random_access_iterator_tag

它们用于 std::iterator_traits<Iter>::iterator_category，可以在算法中实现 不同迭代器种类的特化重载：

示例：

template <class BDIter>
void alg(BDIter, BDIter, std::bidirectional_iterator_tag) {
    std::cout << "called for bidirectional iterator\n";
}
template <class RAIter>
void alg(RAIter, RAIter, std::random_access_iterator_tag) {
    std::cout << "called for random-access iterator\n";
}
template <class Iter>
void alg(Iter first, Iter last) {
    // 自动推导出 iterator_category 作为 tag type
    alg(first, last, typename std::iterator_traits<Iter>::iterator_category());
}

使用：

std::vector<int> v;
alg(v.begin(), v.end());  // random-access
std::list<int> l;
alg(l.begin(), l.end());  // bidirectional

2. `std::in_place_t` 和 `std::in_place`

这是一个标签类型 + 常量，用于 控制构造行为，避免默认构造或临时对象：

template <class... Args>
constexpr explicit optional(std::in_place_t, Args&&... args);

使用示例：

std::optional<std::string> o5(std::in_place, 3, 'A');  // 构造 "AAA"

等效于：

std::optional<std::string> o5(std::string(3, 'A'));

但用 in_place 会 原地构造对象，避免临时值、复制和移动，提高效率。

3. `nullptr_t` 和 `nullptr`

类似 in_place_t 的还有内建类型：

std::nullptr_t 是 nullptr 的类型
用于函数重载决策和模板特化
例如：

void f(int*);
void f(std::nullptr_t);  // 匹配 nullptr 而不是任何 int*

总结

类型	用途说明
`iterator_tag`	区分迭代器种类，实现特化版本
`in_place_t`	用于 `optional`, `variant`, `any` 原地构造
`nullptr_t`	用于重载中与指针类型区分
自定义 tag 类型	通常为标记特定语义（如策略模式、行为注入等）

这段内容讲的是 C++ 标准库中用于模板元编程（compile-time metaprogramming）的核心工具之一 —— `std::integral_constant`，以及它的几个衍生类型（如 `true_type`, `false_type`, `ratio`, `integer_sequence` 等），并介绍它们在 C++ 类型系统中的作用。

核心思想：用类型表示值（Values as Types）

在编译期，C++ 不能用运行时变量进行判断或选择，但可以用类型来携带常量值，从而实现：

类型选择
模板重载（SFINAE）
编译期计算

`std::integral_constant<T, v>`：值 → 类型

template<class T, T v>
struct integral_constant {
    using value_type = T;
    static constexpr T value = v;
    using type = integral_constant;
    constexpr operator T() const noexcept { return value; }
    constexpr T operator()() const noexcept { return value; }
};

它是一个模板类型，但包含一个编译期常量值 value。

示例：

using true_type = integral_constant<bool, true>;
using five = integral_constant<int, 5>;
static_assert(true_type::value, "is true");
static_assert(five::value == 5, "is 5");
true_type b{};
if (b) { std::cout << "true\n"; }
five f{};
int x = f();  // 等价于 x = 5;

你可以像使用普通值一样使用它的对象（可隐式转换、调用等），但它本质上是类型。

`true_type` / `false_type`

using true_type = integral_constant<bool, true>;
using false_type = integral_constant<bool, false>;

它们是标准库中用于布尔型模板元编程判断的基础类型。

用途 1：SFINAE / 模板重载

template<typename T>
std::enable_if_t<std::is_integral_v<T>, void> f(T) {
    std::cout << "integral\n";
}
template<typename T>
std::enable_if_t<std::is_floating_point_v<T>, void> f(T) {
    std::cout << "floating point\n";
}

这背后正是靠 integral_constant 派生出来的 std::true_type / std::false_type 判断条件。

用途 2：单位换算与比例 `std::ratio`

using half = std::ratio<1, 2>;
using milli = std::ratio<1, 1000>;

这些类型在 <chrono> 的 duration 中大量使用：

std::chrono::duration<int, std::milli> ms(1);  // 1 毫秒

用途 3：元组和参数包展开 `std::integer_sequence`

template<typename T, T... Ints>
struct integer_sequence { /* ... */ };
std::make_index_sequence<3> → integer_sequence<size_t, 0, 1, 2>

用于 std::tuple 或 std::array 等模板元编程中展开参数包访问元素。

所有静态断言解释：

static_assert(integral_constant<bool,true>::value, "");   // 成员访问
static_assert(true_type::value, "member access");         // 同上
static_assert(true_type{}, "auto-conversion");            // 转换为 bool
static_assert(true_type{}(), "call operator");            // 调用操作符
static_assert(std::is_same_v<true_type, true_type::type>,
              "type meta");  // type 别名为自身

这些展示了 integral_constant 的“值-类型融合”能力。

总结

工具类型	说明
`integral_constant<T, v>`	编译期值封装为类型
`true_type` / `false_type`	编译期布尔值判断基础
`std::ratio<Num, Den>`	编译期比例值，用于 `chrono::duration` 等
`std::integer_sequence<T, ...>`	参数包处理，展开索引
这些类型都是模板元编程的核心基石，也是泛型库如 `std::chrono`、`std::tuple`、`std::optional`、`std::variant` 等背后的重要基础。
如果你想我展示一个实际使用 `std::integral_constant` 写的 SFINAE 筛选或重载示例，也可以告诉我！

#include <iostream>
int main() {
    using true_type = std::integral_constant<bool, true>;
    using five = std::integral_constant<int, 5>;
    static_assert(true_type::value, "is true");
    static_assert(five::value == 5, "is 5");
    true_type b{};
    if (b) {
        std::cout << "true\n";
    }
    five f{};
    int x = f();                                                   // 等价于 x = 5;
    static_assert(std::integral_constant<bool, true>::value, "");  // 成员访问
    static_assert(true_type::value, "member access");              // 同上
    static_assert(true_type{}, "auto-conversion");                 // 转换为 bool
    static_assert(true_type{}(), "call operator");                 // 调用操作符
    static_assert(std::is_same_v<true_type, true_type::type>,
                  "type meta");  // type 别名为自身
}

`std::integral_constant` 是 C++ 标准库中的一个模板类，主要作用是在编译期将一个值包装成一个类型，让这个值可以作为类型信息被使用。

为什么要这样做？

C++模板元编程中，编译期需要根据某些值做不同处理，但是模板参数只能是类型或者编译期常量。integral_constant 把一个编译期的常量“值”包装成了一个“类型”，这样可以用类型系统来进行选择和分支。

它长这样：

template<class T, T v>
struct integral_constant {
    static constexpr T value = v;       // 常量值
    using value_type = T;               // 值的类型
    using type = integral_constant;    // 自身类型别名
    constexpr operator T() const noexcept { return value; }  // 转换成值
    constexpr T operator()() const noexcept { return value; } // 函数调用也返回值
};

用法示例

using true_type = std::integral_constant<bool, true>;
using false_type = std::integral_constant<bool, false>;
static_assert(true_type::value == true, "");   // 访问常量值
static_assert(false_type{} == false, "");      // 通过转换操作符获得值

常见用途

编译期布尔值判断（true_type和false_type）
SFINAE 以及模板特化时的条件分支
标记类型（Tag Dispatch）
作为 std::ratio（比例）和 std::integer_sequence（整数序列）等模板元编程工具的基础

简单总结

把编译期的常量值封装成一个类型
方便编译期“值”的传递和判断
是模板元编程的基础工具

这里是对Empty Base Optimization (EBO)的总结和补充说明：

1. 空类的大小至少为1

struct empty{};
static_assert(sizeof(empty) > 0, "there must be something");

C++ 标准要求每个不同的对象必须有唯一地址，所以空类的实例大小至少是1字节。

2. 非空类大小为成员大小之和（可能带对齐）

struct plain {
    int x;
};
static_assert(sizeof(plain) == sizeof(int), "no additional overhead");

一个只有一个int成员的类，其大小就是int的大小。

3. 空类作为基类时，编译器可以做优化（EBO）

struct combined : plain, empty {};
static_assert(sizeof(combined) == sizeof(plain), "empty base class should not add size");

当空类作为基类时，编译器可以将其“压缩”，不分配额外空间（除非会导致成员布局冲突）。
这样，空类不会增加派生类的大小。

4. EBO的实际用途

标准库如std::unique_ptr利用EBO将空的删除器类型（default_delete）不占空间，避免存储额外的指针或大小。
CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）风格的Mix-in类用空类基类实现零开销扩展。

5. C++20新特性：`[[no_unique_address]]`属性

允许非空成员也能进行类似EBO的优化，告诉编译器：这个成员的地址可以和其它成员重叠，以节省空间。

struct S {
    int x;
    [[no_unique_address]] empty e;
};
static_assert(sizeof(S) == sizeof(int)); // 这里也可以不增加额外大小

总结

空类实例自身大小最少1字节以保证唯一地址。
作为基类时可利用EBO消除额外空间。
EBO是实现零开销抽象（比如空删除器、策略类等）的关键技术。
C++20 [[no_unique_address]]扩展了这个优化的适用范围。

struct empty {};
struct plain {
    int x;
};
struct combined : plain, empty {};
struct S {
    int x;
    [[no_unique_address]] empty e; // [[no_unique_address]] GCC MSVC 好像有区别
};
int main() {
    static_assert(sizeof(empty) > 0, "there must be something");
    static_assert(sizeof(plain) == sizeof(int), "no additional overhead");
    static_assert(sizeof(combined) == sizeof(plain), "empty base class should not add size");
    static_assert(sizeof(S) == sizeof(int));  // 这里也可以不增加额外大小
}

总结一下你的代码和说明中涉及的EBO限制和原则：

代码回顾：

struct empty{};
static_assert(sizeof(empty) > 0 && sizeof(empty) < sizeof(int),
              "there should be something");
struct ebo : empty {
    empty e;  // 成员是 same type (empty)
    int i;    // 对齐到 int
};
static_assert(sizeof(ebo) == 2 * sizeof(int),
              "ebo must not work");
struct noebo : empty {
    ebo e;    // 成员是不同类型 (ebo)
    int i;
};
static_assert(sizeof(noebo) == 4 * sizeof(int),
              "subobjects must have unique addresses");

EBO 不生效的情况：

基类和成员有相同类型时，EBO不生效

ebo里既继承了empty，又含有一个empty成员变量。
编译器不能让基类子对象和成员变量共享同一内存地址，因为每个对象必须有唯一地址。
所以ebo大小变大了（没有被压缩）。

多个子对象类型相同时，也不能共享地址

规则：同类型的多个子对象必须有唯一地址。
因此如果你有多个empty类型的子对象（无论是基类还是成员），编译器无法合并它们。

保证EBO生效的技巧

让空类只作为基类，且只出现一次（避免同类型的多个子对象）。
可以用CRTP模式（模板派生自自身类型），保证每个基类类型都不同，从而避免同类型重复。
也可以保证空类是最前面的基类，避免与成员变量布局冲突。

总结：

情况	是否生效
空类单独作为基类	生效，基类对象大小不会计入
空类作为成员变量	不生效，占用至少1字节
空类作为基类且成员中也有相同类型	不生效，必须唯一地址
多个相同类型基类（如多继承）	不生效，唯一地址限制
使用CRTP产生不同类型空基类	生效，避免同类型冲突

这也解释了为什么标准库中很多空类用作基类并使用CRTP，以最大化利用EBO节省空间。

这段代码展示了如何结合CRTP（Curiously Recurring Template Pattern）和EBO（Empty Base Optimization）来定义一个“强类型”（strong type），并为它添加一组操作符扩展（如比较、递增和输出），且不增加额外的内存开销。

代码关键点解析

1. `strong<V, TAG>` — 强类型包装

template <typename V, typename TAG> 
struct strong {  
  using value_type = V; 
  V val;  // 实际存储值
};

用 V 包装原始类型。
用 TAG 做区分，防止不同语义的数值被混用。
这是“Whole Value Pattern”中推荐的方式。

2. CRTP 扩展操作符

template <typename U> 
struct Eq {
  friend constexpr bool operator==(U const& l, U const& r) noexcept {
    auto const& [vl] = l;
    auto const& [vr] = r;
    return vl == vr;
  }
  friend constexpr bool operator!=(U const& l, U const& r) noexcept {
    return !(l == r);
  }
};
template <typename U> 
struct Inc {
  friend constexpr auto operator++(U& rv) noexcept {
    auto& [val] = rv;
    ++val;
    return rv;
  }
  friend constexpr auto operator++(U& rv, int) noexcept {
    auto res = rv;
    ++rv;
    return res;
  }
};
template <typename U> 
struct Out {
  friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, U const& r) {
    auto const& [v] = r;
    return os << v;
  }
};

这里用结构化绑定解构 strong 类型，访问其内部成员 val。
用 friend 声明运算符重载，依赖模板参数 U，保证这些操作符只为特定类型实例化。
包括：==/!=，前后缀递增，输出流操作。

3. 操作符组合混入模板

template <typename U, template <typename...> class... BS> 
struct ops : BS<U>... {};

多继承多个操作符扩展，混入（mixin）机制。
例如：ops<WaitC, Eq, Inc, Out> 即继承了比较、递增、输出操作。

4. 定义强类型示例 `WaitC`

struct WaitC : strong<unsigned, WaitC>, ops<WaitC, Eq, Inc, Out> {};
static_assert(sizeof(unsigned) == sizeof(WaitC));

WaitC 继承自包装了 unsigned 的 strong，同时混入操作符扩展。
static_assert 验证EBO生效，WaitC 与 unsigned 大小一致，没有额外开销。

5. 测试用例

void testWaitCounter() {
  WaitC c{};
  WaitC const one{1};
  ASSERT_EQUAL(WaitC{0}, c);
  ASSERT_EQUAL(one, ++c);
  ASSERT_EQUAL(one, c++);
  ASSERT_EQUAL(2, c.val);
}

验证默认构造为 0。
测试前缀和后缀递增操作符。
检查内部值 val 是否正确递增。

总结

通过 CRTP + EBO，可以设计零开销的强类型，增强类型安全，避免原始类型混淆。
这种写法也极易扩展，添加更多运算符和功能都很方便。
C++17 的结构化绑定，让访问成员更简洁。
static_assert 确保运行时内存开销符合预期。

#include <iostream>
template <typename U>
struct Eq {
    friend constexpr bool operator==(U const& l, U const& r) noexcept {
        auto const& [vl] = l;
        auto const& [vr] = r;
        return vl == vr;
    }
    friend constexpr bool operator!=(U const& l, U const& r) noexcept { return !(l == r); }
};
template <typename U>
struct Inc {
    friend constexpr auto operator++(U& rv) noexcept {
        auto& [val] = rv;
        ++val;
        return rv;
    }
    friend constexpr auto operator++(U& rv, int) noexcept {
        auto res = rv;
        ++rv;
        return res;
    }
};
template <typename U>
struct Out {
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, U const& r) {
        auto const& [v] = r;
        return os << v;
    }
};
template <typename V, typename TAG>
struct strong {
    using value_type = V;
    V val;  // 实际存储值
};
template <typename U, template <typename...> class... BS>
struct ops : BS<U>... {};
struct WaitC : strong<unsigned, WaitC>, ops<WaitC, Eq, Inc, Out> {};
static_assert(sizeof(unsigned) == sizeof(WaitC));
#define ASSERT_EQUAL(a, b)                                                            \
    do {                                                                              \
        if (!((a) == (b))) {                                                          \
            std::cerr << "ASSERT_EQUAL failed: " << #a << " != " << #b << " (" << (a) \
                      << " != " << (b) << ")\n";                                      \
            std::exit(1);                                                             \
        }                                                                             \
    } while (0)
void testWaitCounter() {
    WaitC c{};
    constexpr WaitC const one{1};
    ASSERT_EQUAL(WaitC{0}, c);
    ASSERT_EQUAL(one, ++c);
    ASSERT_EQUAL(one, c++);
    ASSERT_EQUAL(2, c.val);
}
int main() { testWaitCounter(); }

使用继承标准库容器（如 `std::set`）来构造适配器类（如 `indexableSet`）是可能的，但非常需要小心和自律。否则，可能会破坏类的设计原则（比如里氏替换原则），导致不可预料的行为或错误。

一步步理解

示例代码解释：

template<typename T, typename CMP=std::less<T>>  
class indexableSet : public std::set<T,CMP> {
    using SetType = std::set<T,CMP>; 
    using size_type = int;  // 为了支持负数索引
public:
    using std::set<T,CMP>::set;  // 继承构造函数
    T const& operator[](size_type index) const {
        return at(index);
    }
    T const& at(size_type index) const {
        if (index < 0) index += SetType::size();  // 支持负数：从末尾开始索引
        if (index < 0 || index >= SetType::size())  
            throw std::out_of_range{"indexableSet:"};
        return *std::next(this->begin(), index);
    }
    T const& front() const { return at(0); }
    T const& back() const { return at(-1); }
};

这是一个扩展版的 std::set，加了下标访问 [] 和负索引功能，像 Python 列表那样访问最后一个元素 [-1]。

为什么需要自律（discipline）

不建议随便继承 STL 容器的原因：

STL 容器没有虚析构函数，如果你把 indexableSet 向上转为 std::set，再通过 delete 删除，会导致 未定义行为（UB）
会破坏 Liskov Substitution Principle（LSP）：即子类对象应该能够替代父类使用，而行为保持一致
比如这样会出错：

void printSet(std::set<int> s) { ... }  // 切片发生！indexableSet 的特性丢失！
printSet(indexableSet<int>{1,2,3});

什么时候可以继承 STL？

仅当你“只扩展、不修改”功能，并且你绝对不会将子类“当作”父类用（避免 slicing）。

也就是说：

只是在加新功能，比如 []、front()、back()，但不改动已有语义
不会以 std::set<T> 的形式传参
不会进行 slicing（值拷贝切掉子类部分）

小结：关键词对照

原文术语	中文解释
“Empty” Adapters	空适配器类，只有行为改变，没有数据增加
Liskov Substitution Principle	里氏替换原则：子类必须能无害地替代父类使用
inherits constructors	C++11 支持继承构造函数，让适配更自然
slicing harmful	值传递切掉子类特性，极易出 bug
better wrap then	如果要改变语义，最好用组合而不是继承

总结建议：

可以继承 STL 容器用于适配器类，但：

不该改变原本行为
永远不要把它转为父类使用
避免对象 slicing
如果你要加强语义，推荐用组合（wrap）而不是继承

#include <set>        // std::set 用于自动排序的集合
#include <iostream>   // std::cout, std::endl
#include <stdexcept>  // std::out_of_range 异常
#include <iterator>   // std::next 用于迭代器偏移
// 定义一个支持下标访问（包括负数索引）的 std::set 子类
template <typename T, typename CMP = std::less<T>>
class indexableSet : public std::set<T, CMP> {
    using SetType = std::set<T, CMP>;
    using size_type = int;  // 使用 int 类型索引，支持负数下标
public:
    // 继承 std::set 的构造函数，允许直接初始化 indexableSet
    using std::set<T, CMP>::set;
    // 支持通过下标访问元素，例如 s[2]，底层调用 at()
    T const& operator[](size_type index) const { return at(index); }
    // 安全访问函数，支持负数索引，如 at(-1) 表示倒数第一个元素
    T const& at(size_type index) const {
        if (index < 0)
            index += static_cast<size_type>(SetType::size());  // 负数索引处理：从末尾向前数
        if (index < 0 || index >= static_cast<size_type>(SetType::size()))
            throw std::out_of_range{"indexableSet: invalid index"};  // 越界检查
        return *std::next(this->begin(), index);                     // 获取迭代器位置并解引用
    }
    // 获取第一个元素，相当于 at(0)
    T const& front() const { return at(0); }
    // 获取最后一个元素，相当于 at(-1)
    T const& back() const { return at(-1); }
};
// 示例主函数
int main() {
    // 使用 initializer_list 初始化集合，重复元素会被自动去重并排序
    indexableSet<int> s{3, 1, 4, 1, 5, 9, 2};
    std::cout << "Set contents by index:\n";
    // 正向遍历集合中的元素，通过索引访问
    for (int i = 0; i < static_cast<int>(s.size()); ++i) {
        std::cout << "s[" << i << "] = " << s[i] << "\n";
    }
    // 访问倒数第一个元素
    std::cout << "s[-1] (last) = " << s[-1] << "\n";
    // 使用 front/back 接口访问首尾元素
    std::cout << "front() = " << s.front() << "\n";
    std::cout << "back() = " << s.back() << "\n";
    return 0;
}

你提到的内容是 C++ 中关于 “指向类型”（Pointing Types）的重要概念，特别是在迭代器和智能指针中经常遇到的问题。下面是对这些内容的逐条解释和深入理解：

什么是“Pointing Types”？

“指向类型” 是指那些不拥有资源本身，而是“引用”或“指向”其他对象的类型。这类对象的行为依赖于它们所指向的其他对象的生命周期。

常见的 Pointing Types 包括：

T*（原始指针）
std::shared_ptr<T>, std::unique_ptr<T>（智能指针）
std::reference_wrapper<T>（引用包装器）
std::span<T>（不拥有对象的视图）
迭代器（如 std::vector<int>::iterator）

和 Value Type 的对比

特性	Value Type	Pointing Type
拥有资源？	是	否
独立存在？	通常可独立使用	依赖被指向对象
生命周期易管理？	通常安全	需小心生命周期
拷贝/比较语义？	明确值语义	语义复杂（指向不同对象）

常见风险：悬空和无效访问

Dangling References（悬空引用）
引用或指针指向一个已经被销毁的对象：

int* p;
{
    int x = 42;
    p = &x;
}  // x 生命周期结束，p 悬空

Invalid/Null Pointers（空指针/无效指针）
指针没有被正确初始化或显式设为 nullptr。
Invalidated Iterators（失效迭代器）
修改容器后（插入/删除/resize），之前获取的迭代器失效。
Past-the-end Iterators（越界迭代器）
end() 是合法的，但不可解引用。解引用它是 UB：
```
auto it = vec.end(); 
*it;  //  未定义行为
```

关于 Iterators 的特殊说明

迭代器是“值类型的接口 + 指针的语义”
- ==, !=, ++, *, -> 等操作都支持。
- 但它实际指向其他对象，因此不是严格意义上的“value type”。
默认构造行为特殊
- 有些迭代器有默认构造的“空值”表示（如 istream_iterator 的 EOF 状态）。

标准库中可能失效的操作：

std::vector<int> v = {1, 2, 3};
auto it = v.begin();
v.push_back(4);  // 可能 reallocate
*it;  //  it 可能已失效（UB）

如何安全使用这类类型？

不要缓存迭代器/指针，如果容器可能改变
使用智能指针管理动态内存，避免悬空
不要解引用 end()，也不要对“默认构造”迭代器解引用
span/view 类型不可扩展，不应该存储在结构体中长期引用容器内部数据
C++20 提供 [[no_dangling]] 属性（尚未广泛实现）来改善这类问题

总结

分类	示例类型	说明
Value Type	`int`, `std::string`	拷贝独立、生命周期独立
Pointing	`T*`, `std::iterator`	指向他物，生命周期受限，可能悬空
Safe Pointer	`std::unique_ptr<T>`	自动释放资源，安全但非全能
View	`std::span<T>`	不拥有对象，依赖外部数据

关于 “Dimensions Safety and Sanity”（维度安全与合理性）主题下的一个关键设计思想 —— 管理类（Monomorphic Object Types）、RAII（资源获取即初始化）以及如何以安全、清晰的方式管理资源、状态和对象生命周期。

以下是对你内容的系统性理解与拆解：

核心思想：管理类 ≠ 值类型（Not Value Types）

这些类在程序中扮演 资源管理者 或 状态封装者 的角色，因此：

它们有显著身份（Identity）
它们不是 Regular Types（规则类型）
不支持拷贝构造、赋值、比较等通用值语义

管理类的特征（Monomorphic Object Types）

特征	说明
禁止拷贝 / 移动	保证资源唯一、状态不共享
构造后生命周期稳定	通常由高层组件或工厂函数生成
通常是栈或堆上长生命周期对象	被传递时只传引用（或智能指针）
不使用虚函数 / 多态	避免运行时成本和 slicing 问题
包含复杂状态或资源	比如：IO、网络、容器、线程句柄等
用于：Manager / Builder / Context	管理多个子资源的生命周期

示例：`ScreenItems` 管理器类分析

struct ScreenItems {
    void add(widget w) {
        content.push_back(std::move(w));  // widget 是值语义（或封装指针）
    }
    void draw_all(screen &out) {
        for (auto &drawable : content) {
            drawable->draw(out);  // 多态行为 delegated to widget
        }
    }
private:
    ScreenItems& operator=(ScreenItems&&) noexcept = delete;  // 禁止 move
    widgets content{};  // 内部资源管理
};

设计亮点

禁用拷贝 / 移动：防止资源被复制或被错误转移
默认构造 + 临时返回（支持 RVO）
管理 widget 的集合，但不泄漏资源所有权

安全创建方式（C++17 起支持 NRVO）

ScreenItems makeScreenItems() {
    return ScreenItems{};  // OK，临时对象 + RVO
}

注意：必须作为返回值使用，不能让用户 copy/move。

RAII：管理资源的首选机制

RAII 类型的本质就是：构造即获得资源，析构即释放资源

标准库中的 RAII 类型

std::string, std::vector
std::fstream, std::ostringstream
std::thread, std::unique_lock
std::unique_ptr, std::shared_ptr

Boost 中也有丰富的 RAII 类型

boost::asio::tcp::iostream
boost::lock_guard
boost::scope_exit 等等

不建议写自己的通用 RAII 类型！

C++20 已经标准化了 std::unique_resource<T, D>（P0052 提案）
类似的非标准库实现以前存在于 GSL、boost、folly 中。

建议做法：

使用 std::unique_ptr<T, Deleter> 实现自定义资源管理（文件句柄、fd 等）
等待 C++20 或使用第三方实现（Peter Sommerlad 的 GitHub、herbcepp 的 GSL）

总结：管理类 + RAII 的安全组合

方面	建议做法
资源封装类	禁用拷贝，慎用移动，仅由工厂创建
内部资源管理	使用 `vector<unique_ptr<T>>` 等
生命周期控制	栈上或智能指针管理（避免裸指针）
RAII 类型推荐使用	标准库（优先）、boost、C++20
避免抽象基类传值	多态用 `unique_ptr<Base>` 持有

提到的是面向对象（OO）编程中的多态对象类型（Polymorphic Object Types）的使用原则与风险，特别是当类涉及 `virtual`（虚函数）机制时。以下是这段内容的逐句深入理解与扩展解释：

核心主题：使用 `virtual` 的类，请“三思”！

在 C++ 中引入虚函数意味着你正在构建一个抽象层次结构（class hierarchy），这需要非常谨慎的设计，否则容易引发资源泄露、性能开销、接口混乱等问题。

Polymorphic Object Types 的典型特征

特征	说明
`virtual` 函数（含析构）	表示你打算做运行时多态
通常不可复制 / 不可赋值	防止 slicing、重复资源释放等
以引用或指针传递	保持多态行为（值传递会切片）
拥有“身份”	不能随意复制；每个实例有唯一生命周期
生命周期较长	通常在调用链上层分配或使用堆分配
用于表达抽象概念	如：`Shape`, `Drawable`, `IOHandler`

正确的类层级结构：以抽象类为根

struct Drawable {
    virtual void draw() const = 0;
    virtual ~Drawable() = 0; // 确保子类析构正确
};
inline Drawable::~Drawable() = default;

抽象类 = 纯虚函数 + 虚析构函数
子类实现接口，但不应继续增加 virtual 层

为什么不要滥用继承 / 多层虚函数？

原因	说明
接口污染	子类继续引入 `virtual` 会导致行为不明确或难以维护
多重继承问题	虚继承、多层继承极易导致菱形继承、构造析构顺序复杂化
难以控制资源	多态对象往往需要配合智能指针 + 自定义 deleter 管理生命周期
Slicing 风险	如果使用值传递或容器，`Base` 的值会切掉 `Derived` 部分
RTTI 和性能开销	虚表查找需要运行时信息，性能比普通调用慢且增加空间开销

使用策略建议

用途场景	是否推荐使用虚函数
明确表达接口（如 `Drawable`）	是，适合使用虚函数
简单继承但无多态需求	否，用组合代替继承更好
多层次抽象、多种行为	小心设计，不建议层层 `virtual`
管理状态、资源类	禁止使用虚函数，应禁用复制、使用 RAII

实践建议：写虚基类时请确保

仅设计为接口（纯虚）
提供虚析构函数
不定义状态，不依赖构造顺序
子类不要引入新的虚函数
永远不要值传递多态对象（使用引用或智能指针）

一个典型反例

struct Base {
    virtual void foo();
};
struct Derived : Base {
    virtual void bar(); //  子类引入新虚函数，接口分裂
};

更推荐的替代方案：组合优于继承

使用 std::function
使用类型擦除（如 std::any, std::variant, inplace_function）
使用策略模式 + 模板组合
用 CRTP 实现接口扩展而非虚函数

总结

“虚函数是语言层面支持的一种强大机制，但它不是解决一切问题的银弹。”

三思使用 virtual：

是否真的需要运行时多态？
是否存在更现代、类型安全的方式（如模板、多态容器、variant 等）？
接口是否简单、稳定、易维护？

CppCon 2018 学习:Sane and Safe C++ Class Types

要点总结：

Regular 类型需要满足的属性：

额外的要求（可选）

C++20 新特性

这段内容讲的是不同类别的类型（Types）在C++里的安全性和管理难度，特别强调了“Value Types”（值类型）的“理智和安全”（Sane and Safe）。

内容拆解和理解：

1. Managing Types（管理类型）

2. 值类型 (Value Types)

3. 空类型 (Empty Types) 和库专家 (Library Experts)

总结

这段话主要讨论的是**内置基础类型（primitive types）**比如 int、char、bool、double 是否真的“安全（safe）”和“理智（sane）”。

理解要点：

这说明了什么？

总结

你的例子想揭示的是 浮点数类型的“安全性”和“理智性”问题，尤其是在用浮点数做 std::set（依赖比较排序）时，出现了不符合预期的结果。

代码分析：

预期的大小 13 是怎么来的？

但结果真的是13吗？

实际运行输出

总结

运行的结果是 Set size: 1，这显然和你预期的13不符，甚至比13还小很多。这个结果非常极端，说明发生了什么特殊的事情。

为什么结果是1？

关键点：

你的程序为什么只输出1？

如何验证？

解决方案

总结

C++中标准库容器作为“正规”类型（Regular Types）时的安全性和理智性，以及它们底层使用的内建类型（primitive types）导致的一些经典坑。

核心点总结：

代码中printBackwards函数的bug

总结

C++中滥用内建类型（primitive types） 所带来的深层问题，特别是在标准库和用户代码中，以下是详细解释和理解：

问题总结：内建类型的问题不仅仅是“语法上允许”，更是语义上的混乱与脆弱性

1. 内建类型没有表达语义：

示例：用类型包装原始值

2. “Named Parameters” 不是解决方案

3. 标准库“错用”了内建类型当作语义类型

示例：

问题发生：

总结这个痛点：

建议与最佳实践：

示例：更好的函数签名与类型

对C++类型系统中“值的安全性与语义”的层次进行分类和批判，特别是针对物理量（dimensions）和语义清晰的类型设计。下面是对这部分内容的理解与扩展解释：

主题：Dimensions Safety and Sanity（单位与语义的安全性）

分类解释图（文字版）

举例：危险用法

理想的语义类型（Whole Value Pattern）

与现实世界的类比

工具与实践

总结一句话：

这段内容阐述的是 Whole Value Pattern（完整值模式），它出自 Ward Cunningham 的 CHECKS 模式语言，是面向对象设计中的一种 增强类型安全与表达力的建模思想。我们来逐点理解：

核心理念：Whole Value Pattern 是什么？

不良示例：原始类型滥用

改进方案：Whole Value 模式

关键思想详解

1. “最底层的单位”（如 int、string、double）是 不安全的

2. 用 专门的值类型 进行建模

3. UI 层负责字符串/数值 → 值对象的转换

4. 禁止业务逻辑处理“裸字符串”或“裸数字”

总结一句话：

你这段内容是对 Whole Value Pattern（完整值模式） 的最简化实现和实际应用的展示，非常重要、也非常实用。

最简版 Whole Value Pattern

示例：

可扩展性示例：重载操作符

聚合初始化（Aggregate Initialization）

总结：为什么这叫 “最简单的 Whole Value Pattern”

你的这段内容讨论的是 是否应该让一个值类型（whole value type）默认构造（default-constructible），也就是是否该写：

应该默认构造的情况

例子：

谨慎默认构造的情况

可以考虑默认构造的情况

不应该默认构造的情况 #1：没有自然默认值

不应该默认构造的情况 #2：不满足不变式（invariant）

总结：何时应该写 T() = default？

深入探讨了 单位安全（unit safety）、强类型（strong typing） 和 维度正确性（dimensional correctness） 的问题，尤其聚焦于 C++ 中的库设计、抽象与类型系统。以下是详细的解析和理解：

问题：relative vs. absolute 混用导致的类型不安全

❶ 错误的类型使用（相对 vs 绝对）：

❷ 类型强制转换掩盖了问题：

正确的做法：区分相对值 vs 绝对值

这段话主要讨论的是内置基础类型（primitive types）比如 `int`、`char`、`bool`、`double` 是否真的“安全（safe）”和“理智（sane）”。

你的例子想揭示的是浮点数类型的“安全性”和“理智性”问题，尤其是在用浮点数做 `std::set`（依赖比较排序）时，出现了不符合预期的结果。

预期的大小 `13` 是怎么来的？

代码中`printBackwards`函数的bug

C++中滥用内建类型（primitive types）所带来的深层问题，特别是在标准库和用户代码中，以下是详细解释和理解：

这段内容阐述的是 Whole Value Pattern（完整值模式），它出自 Ward Cunningham 的 CHECKS 模式语言，是面向对象设计中的一种增强类型安全与表达力的建模思想。我们来逐点理解：

1. “最底层的单位”（如 `int`、`string`、`double`）是不安全的

2. 用专门的值类型进行建模

你这段内容是对 Whole Value Pattern（完整值模式）的最简化实现和实际应用的展示，非常重要、也非常实用。

你的这段内容讨论的是是否应该让一个值类型（whole value type）默认构造（default-constructible），也就是是否该写：

总结：何时应该写 `T() = default`？

深入探讨了单位安全（unit safety）、强类型（strong typing）和维度正确性（dimensional correctness）的问题，尤其聚焦于 C++ 中的库设计、抽象与类型系统。以下是详细的解析和理解：

C++ 中一个非常有趣且强大的语言特性：空类（Empty Class）及其背后的 EBO（Empty Base Optimization），它确实可以在“你什么都没写”的情况下带来额外收益，下面是逐条解释你贴的内容：

提供的内容涵盖了 C++ 中 Tag Types（标签类型）的使用方式，主要体现在以下几个方面：

2. `std::in_place_t` 和 `std::in_place`

3. `nullptr_t` 和 `nullptr`

`std::integral_constant<T, v>`：值 → 类型

`true_type` / `false_type`

用途 2：单位换算与比例 `std::ratio`

用途 3：元组和参数包展开 `std::integer_sequence`

`std::integral_constant` 是 C++ 标准库中的一个模板类，主要作用是在编译期将一个值包装成一个类型，让这个值可以作为类型信息被使用。

这里是对Empty Base Optimization (EBO)的总结和补充说明：

5. C++20新特性：`[[no_unique_address]]`属性

1. `strong<V, TAG>` — 强类型包装

4. 定义强类型示例 `WaitC`

使用继承标准库容器（如 `std::set`）来构造适配器类（如 `indexableSet`）是可能的，但非常需要小心和自律。否则，可能会破坏类的设计原则（比如里氏替换原则），导致不可预料的行为或错误。

你提到的内容是 C++ 中关于 “指向类型”（Pointing Types）的重要概念，特别是在迭代器和智能指针中经常遇到的问题。下面是对这些内容的逐条解释和深入理解：