think-cell 中检测多个实例化

我们发现了一种在编译时强制执行一段代码只能实例化一次的方法。总之，对于相关代码的每个实例化，我们声明一个具有不同返回类型的函数。如果您尝试实例化代码，则编译将失败并出现以下错误：

error: functions that differ only in their return type cannot be overloaded

尽管这个解决方案很聪明，但它也有一些问题：

1. 错误消息不是很好 。
2. 从不同的翻译单元实例化时，编译不会失败。

可以说，第一点只是不便。我倾向于不同意。想象一下，你已经重构了一些广泛使用的函数。这可能是对许多代码行的更改，无法编译 的子部分。因此，经过几天的工作，您第一次按“构建”，20 分钟后您会收到一条关于仅在返回类型上不同的函数的神秘消息。诚然，大多数编译器都给出了不错的跟踪，以便对所发生的事情的调查不会花费太长时间。然而，调查一开始就不应该是必要的。

第二点肯定更令人担忧。ASSERT_SINGLE_INSTANTIATION 不仅没有断言它承诺要断言的内容，而且由此产生的程序格式不正确，不需要诊断 。

有状态元编程

模板元编程是 C++ 中的一种技术，用于利用类型系统生成代码。在之前的几篇博文中（例如“ 约束用户定义的转换” 和“ 范围适配器的编译时大小 ”），我们利用它将计算从运行时转移到编译时。

直到几周前，我还生活在一个幸福的假设中，即 C++ 模板元编程纯粹是函数式编程 。哦，天哪，我错了吗？在纯函数式编程语言中，所有函数都是无副作用的。对于模板，这是正确的，只是大多数时候。通过一些神奇的朋友注射，我们可以跟踪和改变状态。令人惊讶的是，已经有许多关于有状态元编程的帖子被写了，例如“ 重新审视 C++20 中的有状态元编程 ”和“ 如何使用模板和朋友破解 C++”。

我们之前的解决方案暗示了有状态元编程。现在让我们充分利用它来修复神秘的错误消息。在我们的例子中，我们需要跟踪的状态是之前是否实例化了某些东西。本质可以归结为以下代码。这里，tc：：string_template_param 是一个编译时字符串。复制

template<tc::string_template_param strFile, int nLine>
struct InstantiationLocation final {
	friend auto InstantiatedFlag(InstantiationLocation) noexcept;           // (1)
};

template<typename Location>
struct SetInstantiation final {                                             // (2)
	friend auto InstantiatedFlag(Location) noexcept {}
};

template<typename Location, auto UniqueTag>
[[nodiscard]] consteval auto Instantiate() noexcept {                       // (3)
	if constexpr(requires { InstantiatedFlag(Location()); }) {
		return false;
	} else {
		SetInstantiation<Location>();
		return true;
	}
}

在 （1） 处，我们声明（而不是定义）一个具有自动返回类型的函数。只要编译器不知道定义，就无法调用此函数。只有当我们实例化 （2） 时，才会注入定义。

现在，我们可以使用调用 （1） 的能力来指示我们是否已经实例化了某些东西。此检查发生在 （3） 中，如果我们已经可以调用 InstantiatedFlag，则返回 false 以指示实例化已经发生。否则，我们为 （1） 注入一个定义。

此实用程序可以与单行一起使用：复制

static_assert(Instantiate<InstantiationLocation<__FILE__, __LINE__>, []{}>(), "Should only be instantiated once!");

多个翻译单元怎么办

当使用多个翻译单元时，故事会更加复杂。由于编译器仅在单个转换单元上工作，因此由链接器来验证实例化是否只发生过一次。不幸的是，我们没有找到让链接器抛出错误的可靠方法;C++ 标准包含我们能想到的所有错误的“无需诊断”。

确保单个实例化的唯一剩余方法是在运行时。理想情况下，程序应尽早检测到，并因此可能失败。等到调用两个实例都不是健壮的，并且可能会产生性能损失。使用全局常量初始值设定项，我们可以进行所有检查，甚至在输入 main 之前。复制

template<typename Location>
void AssertSingleInstantiation() noexcept {
	static constinit bool bIsInstantiated = false;
	assert(!bIsInstantiated); // multiple instantiations across compilation units
	bIsInstantiated = true;
}

template<typename Location, auto UniqueTag>
inline const auto c_AssertSingleInstantiationBeforeMain = []() noexcept {
	AssertSingleInstantiation<Location>();
	return 0;
}();

将之前的 static_assert 和实例 c_AssertSingleInstantiationBeforeMain 化相结合，会产生以下宏：复制

#define _ASSERT_SINGLE_INSTANTIATION { \
	using Location = InstantiationLocation<__FILE__, __LINE__>; \
	static_cast<void>(c_AssertSingleInstantiationBeforeMain<Location, []{}>); \
	static_assert(Instantiate<Location, []{}>(), "Should only be instantiated once!"); \
}

您可以在编译器资源管理器中自己尝试一下！

在运行时检查（至少原则上）应该在编译期间检查的属性并不好。但是，在 main 之前运行这些检查是下一个最好的选择。如果您能找到一种方法来可靠地让链接器抛出错误，请告诉我们！

奖金

在撰写 MSVC 时，存在一个带有静态变量的代码生成错误 。使用 lambda（而不是静态变量的地址）作为唯一标签可以避免此错误。