std::ratio＜1,1000＞ 是什么意思？

author: hjjdebug
date: 2025年 05月 14日 星期三 09:45:24 CST
description: std::ratio<1,1000> 是什么意思？

先给一个简单的例子来研究.

$ cat main.cpp
#include <iostream>
#include <ratio>
using namespace std;
// 定义一个模板函数，接受一个 std::ratio 类型参数
// 这个类型有静态变量num 和den, 由于是静态变量,会直接在代码中用常数展开.
// 这个模板函数将来会生成很多个函数,不同的类型就会生成不同的函数代码，是静态编译多态性的一种
template <typename Ratio>
void print_ratio() {
	printf("num:%ld,den:%ld\n",Ratio::num,Ratio::den);
}

int main() {
	using r=std::ratio<1,1000>; //using 就是typedef, 编译时直接替换
	// std::ratio<1,1000> 是个类型, 而非数值，
	//这里类型名会与函数名共同构成一个代码中的导出函数名叫print_ration<std::ration<1l,1000l>>
	print_ratio<r>(); // 输出 Numerator: 1, Denominator: 1000
	// 这里std::ratio<1,10>时另一种类型，是分子为1，分母为10的类型
	print_ratio<std::ratio<1,10>>();
	//用类型实例化对象
	std::ratio<1,1000> obj;
	cout<<"num:"<<obj.num<<",den:"<<obj.den<<endl;
	cout<<"size_type:"<<sizeof(std::ratio<1,1000>)<<",size_obj:"<<sizeof(obj)<<endl;

	return 0;
}

执行:
./temp3
num:1,den:1000
num:1,den:10
num:1,den:1000
size_type:1,size_obj:1

代码中, std::ratio<1,1000> 是什么意思呢？

1. 它是一种数值吗？

它不是数值
看一下gdb 中的打印
p std::ratio<1,1000>
Attempt to use a type name as an expression

2. 它是一种类型吗？

它是一种类型.
看一下 gdb 的打印
ptype std::ratio<1,1000>
type = struct std::ratio<1, 1000> {
static const intmax_t num;
static const intmax_t den;
}
这个类型包含两个静态成员变量
p std::ratio<1,1000>::num
$1 = 1
p std::ratio<1,1000>::den
$2 = 1000

可见类型也可以包含属于自己的数值. 这2个数值在函数中用Ratio::num, Ration::den引用过.

3. std:ratio 是什么呢？

显然它是一个模板类,因为有<>,有两个模板参数,因为给了1,1000
这样就可以由这个模板类,根据模板参数的不同，创建很多个类.
这里所说的类，就是类型.注意，只是类型，不是对象. 你可以用类型实例化一个对象，就像代码中那样.
下面看模板类的定义:

  template<intmax_t _Num, intmax_t _Den = 1>
    struct ratio
    {
      static constexpr intmax_t num =
        _Num * __static_sign<_Den>::value / __static_gcd<_Num, _Den>::value;

      static constexpr intmax_t den =
        __static_abs<_Den>::value / __static_gcd<_Num, _Den>::value;

      typedef ratio<num, den> type;
    };
    

这个结构看起来还是有点复杂,
static 修饰的变量叫静态变量，它是属于类的而不属于对象.
constexpr 表示它会在编译期计算出数值
intmax_t 是 long int 的别名
__static_sign<_Den>::value, 这也是一个模板类，拿到这个类的带符号的分母的value值.
__static_gcd<_Num, _Den>::value, 拿到gcd模板类的value值,该值是_Num,_Den 的最大公约数.
__static_abs<_Den>::value, 分母绝对值模板类的value值

我们假定分子,分母互质, 即gcd(num,den)=1, 分子，分母都为正数,则上式可以简化为:

template<intmax_t _Num, intmax_t _Den = 1>
struct ratio
{
static constexpr intmax_t num = _Num;
static constexpr intmax_t den = _Den;
};
这样就看清了，ratio 是一个带2参数的模板类, constexpr 的含义是编译时就付给值.

4. 分析一个展开后的模板函数

模板函数 template
void print_ratio();
当类型std::ration<1,1000> 与函数名 print_ratio相遇时
共同构成一个完整的导出函数名叫print_ratio<std::ratio<1l,1000l>>
该名称才是真实的函数导出名称(已经被c++filt 过滤过).
真实名称是这样的:_Z11print_ratioISt5ratioILl1ELl1000EEEvv,不是给人看的,给编译器看的.

/*
  (gdb) disassemble/m print_ratio<std::ratio<1l, 1000l> >
Dump of assembler code for function print_ratio<std::ratio<1l, 1000l> >():
9	void print_ratio() {
   0x0000555555555203 <+0>:	endbr64 
   0x0000555555555207 <+4>:	push   %rbp
   0x0000555555555208 <+5>:	mov    %rsp,%rbp

10		printf("num:%ld,den:%ld\n",Ratio::num,Ratio::den);
   0x000055555555520b <+8>:	mov    $0x3e8,%edx   //类中的静态成员,直接给1000数值为第3参数
   0x0000555555555210 <+13>:	mov    $0x1,%esi     //类中静态成员,直接给1数值为第2参数
   0x0000555555555215 <+18>:	lea    0xde8(%rip),%rdi        # 0x555555556004
   0x000055555555521c <+25>:	mov    $0x0,%eax
   0x0000555555555221 <+30>:	callq  0x555555555070 <printf@plt>

11	}
   0x0000555555555226 <+35>:	nop
   0x0000555555555227 <+36>:	pop    %rbp
   0x0000555555555228 <+37>:	retq   

End of assembler dump.
 */

5.小结:

1. 模板参数可以是整形数,例如上边的1，1000
2. 类型名称可以带角标. 例:std::ratio<1,1000>
3. 类型可以包含属于自己的数值. 例Ratio::num, Ratio::den
4. 类型可以与函数名一起构成实例化后的模板函数名称. print_ratio<std::ratio<1l,1000l>>
5. 类型实例化后的对象可以不包含任何数值. sizeof(obj)=1
6. 类型的运行期大小也可以为0. sizeof(std::ratio<1,1000>=1,
   说明它包含的类成员变量都是编译器的常数. 例Ratio::num=1,Ratio::den=1000
7. 一个模板类std::ratio<intmax_t num,intmax_t den>,能实例化出很多实例化类,
   std::ratio<1,1000>只是其中之一. 可以随心所欲创造很多种类型,例std::ration<1,10)等.
8. 类型是跟gcc 的一种约定，你定义了这种类型,gcc就认识了这种类型，你就可以使用这种类型.

言之不尽,c++相较与c而言, 有更多的内涵需要让gcc明白, gcc会理解我们更复杂的表达方式.