std::format 如何實現編譯期格式檢查

C++ 20 的 std::format 是一個很神奇、很實用的工具，最神奇的地方在於它能在編譯期檢查字元串的格式是否正確，而且不需要什麼特殊的使用方法，只需要像使用普通函數那樣傳參即可。

#include <format>

int a = 1;
std::string s1 = std::format("a: {}", a); // OK
std::string s2 = std::format("a: {}, b: {}", a); // 編譯錯誤

C++ 20 的 std::format 來自一個著名的開源庫 {fmt}。在 C++ 20 之前，fmt 需要為每個字元串字面量創建不同的類型才能實現編譯期格式檢查。fmt 提供了一個 FMT_STRING 巨集以簡化使用的流程。

#include <fmt/format.h>

int a = 1;
std::string s1 = fmt::format(FMT_STRING("a: {}"), a); // OK
std::string s2 = fmt::format(FMT_STRING("a: {}, b: {}"), a); // 編譯錯誤

C++ 20 有了 consteval 後就不用這麼彆扭了。consteval 函數與以前的 constexpr 函數不同，constexpr 函數只有在必須編譯期求值的語境下才會在編譯期執行函數，而 consteval 函數在任何情況下都強制編譯期求值。std::format 就是利用 consteval 函數在編譯期執行代碼，來檢查字元串參數的格式。

然而 std::format 自身不能是 consteval 函數，只好曲線救國，引入一個輔助類型 std::format_string，讓字元串實參隱式轉換為 std::format_string。只要這個轉換函數是 consteval 函數，並且把格式檢查的邏輯寫在這個轉換函數裡面，照樣能實現編譯期的格式檢查。

這裡我們實現了一個極簡版的 format，可以檢查字元串中 {} 的數量是否與參數的個數相同。format_string 的構造函數就是我們需要的隱式轉換函數，它是一個 consteval 函數。若字元串中 {} 的數量不對，則代碼會執行到 throw 這一行。C++ 的 throw 語句不能在編譯期求值，因此會引發編譯錯誤，從而實現了在編譯期檢查出字元串的格式錯誤。

namespace my {
    template<class ...Args>
    class format_string {
    private:
        std::string_view str;

    public:
        template<class T>
            requires std::convertible_to<const T &, std::string_view>
        consteval format_string(const T &s)
            : str(s)
        {
            std::size_t actual_num = 0;
            for (std::size_t i = 0; i + 1 < str.length(); i++) {
                if (str[i] == '{' && str[i + 1] == '}') {
                    actual_num++;
                }
            }
            constexpr std::size_t expected_num = sizeof...(Args);
            if (actual_num != expected_num) {
                throw std::format_error("incorrect format string");
            }
        }

        std::string_view get() const { return str; }
    };

    template<class ...Args>
    std::string format(format_string<std::type_identity_t<Args>...> fmt, Args &&...args) {
        // 省略具體的格式化邏輯
    }
}

有一個細節，此處 format 函數的參數寫的是 format_string<std::type_identity_t<Args>...>，直接寫 format_string<Args ...> 是無法隱式轉換的，因為模板實參推導 (template argument deduction) 不會考慮隱式轉換，C++ 20 提供了一個工具 std::type_identity 可以解決這個問題。std::type_identity 其實就是一個關於類型的恆等函數，但是這麼倒騰一下就能在模板實參推導中建立非推導語境 (non-deduced context)，進而正常地匹配到隱式轉換，C++ 就是這麼奇怪。參考資料：c++ - why would type_identity make a difference? - Stack Overflow