【C++0x】静态断言（static_assert）

1. 静态断言的引入

我们知道，在C++03中我们可以使用两种断言：
（1）使用预处理中的条件编译和#error指令（后面简称#error方法），可以在预处理阶段检查一些编译条件；
（2）可以使用宏assert来进行运行时检查，以确保程序逻辑的正确性。

但使用#error方法很是烦琐，并且不能够对模板参数进行检查（因为模板实例化是在编译时进行，而#error方法是在预处理阶段进行的）。而assert是在运行时进行检查。不难发现，我们缺少了一样东西，那就是可用于在编译时检查的工具。于是，静态断言应运而生。

其实，BOOST对静态断言已支持多年（BOOST_STATIC_ASSERT），其内部实现中大量使用了静态断言。另外，在Modern C++ Design书中实现的Loki库也包含了静态断言。但这些实现都有明显的缺陷：
（1）诊断信息不够充分，难于准确定位错误根源（本质上源于它们的实现所限制）；
（2）由于实现时需要产生新的类型来表示断言，在某种程序上造成了名字污染。

因此，在新版C++标准（C++0x）中，从语言层面加入了对静态断言的支持，引入了新的关键字static_assert来表示静态断言，并支持如下需求：
（1）编译时处理，不会产生任何运行时开销（包括时间和空间）；
（2）断言失败会产生有意义的且充分的诊断信息；
（3）能够在名字空间、类和块的作用域内使用；
（4）易于学习和使用；
（5）误用能够在编译时被发现。

2. 静态断言的使用

静态断言声明的语法形式：static_assert (constant-expression, string-literal);
其中，constant-expression需要是整型常量表达式，string-literal是在断言失败时输出的提示信息。当constant-expression的布尔值为true时，该静态断言声明不会产生任何影响；否则，编译器将给出错误诊断信息。

3. 应用举例

（注：下面的示例均使用MinGW GCC 4.3版编译器编译测试，只有GCC 4.3以上版本才支持静态断言）
F:\tmp>gcc --version
gcc (GCC) 4.3.0 20080305 (alpha-testing) mingw-20080502
Copyright (C) 2008 Free Software Foundation, Inc.
This is free software; see the source for copying conditions.  There is NO
warranty; not even for MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.

例1：在名字空间（包括全局名字空间）中使用静态断言
F:\tmp>type static_assert_eg1.cpp
static_assert(sizeof(int) == 8, "A 64-bit machine needed!");

int main()
{
    return 0;
}

F:\tmp>gcc -std=c++0x static_assert_eg1.cpp
static_assert_eg1.cpp:1: error: static assertion failed: "A 64-bit machine needed!"

F:\tmp>type static_assert_eg2.cpp
static_assert(sizeof(int) == 4, "A 32-bit machine needed!");

int main()
{
    return 0;
}

F:\tmp>gcc -std=c++0x static_assert_eg2.cpp

F:\tmp>

例2：在模板类中使用静态断言
F:\tmp>type static_assert_eg3.cpp
#include
#include

template >
class my_string
{
    static_assert(std::tr1::is_pod::value,
        "Template argument CharT must be a POD type in class template my_string");
    // ...
};

struct NonPOD
{
    NonPOD(const NonPOD &) {}
    virtual ~NonPOD() {}
};

int main()
{
    my_string s;
}

F:\tmp>gcc -std=c++0x static_assert_eg3.cpp
static_assert_eg3.cpp: In instantiation of 'my_string >':
static_assert_eg3.cpp:20:   instantiated from here
static_assert_eg3.cpp:7: error: static assertion failed: "Template argument CharT must be a POD type in class template my_string"
（注：请读者把my_string的参数改为char再尝试编译）

F:\tmp>

例3：在函数中使用静态断言
F:\tmp>type static_assert_eg4.cpp
#include
using namespace std;

int CountOnes32(unsigned int num)
{
    static_assert(sizeof(num) == 4, "int is NOT 32-bits!");
    num = ((num >> 1) & 0x55555555) + (num & 0x55555555);
    num = ((num >> 2) & 0x33333333) + (num & 0x33333333);
    num = ((num >> 4) & 0x0F0F0F0F) + (num & 0x0F0F0F0F);
    num = ((num >> 8) & 0x00FF00FF) + (num & 0x00FF00FF);
    num = ((num >> 16) & 0x0000FFFF) + (num & 0x0000FFFF);
    return (int)num;
}

int main()
{
    cout << CountOnes32(0xFFFFFFFF) << endl;
    cout << CountOnes32(0x00000000) << endl;
    cout << CountOnes32(0x11111111) << endl;
    cout << CountOnes32(0x55555555) << endl;
    cout << CountOnes32(0x33333333) << endl;
    cout << CountOnes32(0x0F0F0F0F) << endl;
    cout << CountOnes32(0x00FF00FF) << endl;
    cout << CountOnes32(0x0000FFFF) << endl;
    cout << CountOnes32(0x3F9A83D1) << endl;
    cout << CountOnes32(0x708DC8A2) << endl;

    return 0;
}

F:\tmp>g++ -std=c++0x static_assert_eg4.cpp

F:\tmp>a.exe
32
0
8
16
16
16
16
16
17
13

F:\tmp>

参考：
Ref-1：