std::format 如何实现编译期格式检查

C++ 20 的 std::format 是一个很神奇、很实用的工具，最神奇的地方在于它能在编译期检查字符串的格式是否正确，而且不需要什么特殊的利用方法，只需要像利用平凡函数那样传参即可。

1. #include <format>
3. int a = 1;
4. std::string s1 = std::format("a: {}", a); // OK
5. std::string s2 = std::format("a: {}, b: {}", a); // 编译错误

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C++ 20 的 std::format 来自一个著名的开源库 {fmt}。在 C++ 20 之前，fmt 需要为每个字符串字面量创建不同的类型才气实现编译期格式检查。fmt 提供了一个 FMT_STRING 宏以简化利用的流程。

1. #include <fmt/format.h>
3. int a = 1;
4. std::string s1 = fmt::format(FMT_STRING("a: {}"), a); // OK
5. std::string s2 = fmt::format(FMT_STRING("a: {}, b: {}"), a); // 编译错误

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C++ 20 有了 consteval 后就不用这么别扭了。consteval 函数与从前的 constexpr 函数不同，constexpr 函数只有在必须编译期求值的语境下才会在编译期执行函数，而 consteval 函数在任何环境下都强制编译期求值。std::format 就是利用 consteval 函数在编译期执行代码，来检查字符串参数的格式。
然而 std::format 自身不能是 consteval 函数，只好曲线救国，引入一个辅助类型 std::format_string，让字符串实参隐式转换为 std::format_string。只要这个转换函数是 consteval 函数，并且把格式检查的逻辑写在这个转换函数里面，照样能实现编译期的格式检查。
这里我们实现了一个极简版的 format，可以检查字符串中 {} 的数量是否与参数的个数相同。format_string 的构造函数就是我们需要的隐式转换函数，它是一个 consteval 函数。若字符串中 {} 的数量不对，则代码会执行到 throw 这一行。C++ 的 throw 语句不能在编译期求值，因此会引发编译错误，从而实现了在编译期检查出字符串的格式错误。

1. namespace my {
2.     template<class ...Args>
3.     class format_string {
4.     private:
5.         std::string_view str;
7.     public:
8.         template<class T>
9.             requires std::convertible_to<const T &, std::string_view>
10.         consteval format_string(const T &s)
11.             : str(s)
12.         {
13.             std::size_t actual_num = 0;
14.             for (std::size_t i = 0; i + 1 < str.length(); i++) {
15.                 if (str[i] == '{' && str[i + 1] == '}') {
16.                     actual_num++;
17.                 }
18.             }
19.             constexpr std::size_t expected_num = sizeof...(Args);
20.             if (actual_num != expected_num) {
21.                 throw std::format_error("incorrect format string");
22.             }
23.         }
25.         std::string_view get() const { return str; }
26.     };
28.     template<class ...Args>
29.     std::string format(format_string<std::type_identity_t<Args>...> fmt, Args &&...args) {
30.         // 省略具体的格式化逻辑
31.     }
32. }

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有一个细节，此处 format 函数的参数写的是 format_string，直接写 format_string 是无法隐式转换的，因为模板实参推导 (template argument deduction) 不会考虑隐式转换，C++ 20 提供了一个工具 std::type_identity 可以办理这个问题。std::type_identity 其实就是一个关于类型的恒等函数，但是这么倒腾一下就能在模板实参推导中建立非推导语境 (non-deduced context)，进而正常地匹配到隐式转换，C++ 就是这么奇怪。参考资料：c++ - why would type_identity make a difference? - Stack Overflow

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