C++程序在纯字符串中执行计算

有时候我们需要在代码中执行一些动态生成的计算，而不希望去写很多的if/else分支或者switch分支语句。在这种情况下，我们可以使用C++11中提供的一个特性：模板字符串。模板字符串是一种将字符串转换为代码的技术，在这种技术的帮助下，我们可以在运行时动态生成代码，并将其当作函数来执行。

模板字符串

模板字符串是一种将字符串转换为代码的技术，使用C++11中的一些新特性，可以很容易地实现。

模板字符串的使用

在使用模板字符串时，我们需要先定义一个模板函数，该函数是一个泛型函数，可以将任何类型的参数，包括字符串，作为函数的参数。在函数内部，我们需要使用字符串流来处理输入的字符串，将其转换为代码，再使用C++的编译器来编译和执行生成的代码。下面是一个简单的模板函数示例：

#include <iostream>
#include <sstream>

template<typename T>
T evaluate(const std::string& expr)
{
    std::stringstream ss;
    ss << "return " << expr << ";";
    auto code = ss.str();
    auto func = [&]() -> T
    {
        return reinterpret_cast<T(*)(void)>(std::addressof(code))();
    };
    return func();
}

int main()
{
    auto res1 = evaluate<int>("1 + 2");
    auto res2 = evaluate<double>("3.14 * 2");
    auto res3 = evaluate<std::string>("\"hello world\" + \"!!!\"");
    std::cout << "1 + 2 = " << res1 << std::endl;
    std::cout << "3.14 * 2 = " << res2 << std::endl;
    std::cout << "\"hello world\" + \"!!!\" = " << res3 << std::endl;
    return 0;
}

在上面的代码中，我们定义了一个evaluate函数，该函数接收一个字符串表达式作为参数，内部使用字符串流来将表达式转换为代码，并将其编译和执行。在模板函数内部，我们使用auto关键字来推导出返回值的类型，并使用reinterpret_cast来将代码的地址强制转换为函数指针类型，再使用自调用lambda表达式来调用该函数指针，并返回计算结果。main函数中，我们分别使用不同的类型的表达式来测试evaluate函数，结果都是正确的。

模板字符串的安全性

模板字符串是一个非常强大的技术，但是也存在一些安全性问题。例如，我们可以通过传递恶意的字符串表达式来执行一些有害的代码，例如删除系统文件等。为了确保模板字符串的安全性，我们需要对传递进来的表达式进行一些检查，以过滤掉一些有害的代码。

下面是一个安全性较高的evaluate函数的实现示例：

template<typename T>
T evaluate(const std::string& expr)
{
    static_assert(std::is_arithmetic<T>::value || std::is_same<T, std::string>::value, "Invalid type");
    if (expr.empty()) {
        throw std::invalid_argument("Empty expression");
    }
    auto bad_chars = std::string("\"';");
    if (expr.find_first_of(bad_chars) != std::string::npos) {
        throw std::invalid_argument("Invalid characters in expression");
    }
    std::stringstream ss;
    ss << "return " << expr << ";";
    auto code = ss.str();
    auto func = [&]() -> T
    {
        return reinterpret_cast<T(*)(void)>(std::addressof(code))();
    };
    return func();
}

在上述代码中，我们首先使用一个静态断言来检查传递进来的类型是否合法；然后，我们对表达式做一些基本的检查，例如表达式是否为空，是否包含一些特殊的字符等；最后，我们使用stringstream来将表达式转换为代码，并使用和之前相同的方法来获取计算结果。通过这些检查机制，我们可以有效地限制恶意代码的执行。

实例分析

下面，我们来看一个实际的应用场景：根据一些规则计算奖励金额。假设我们有一种计算奖励金额的规则，规则是一个字符串表达式，包含一些变量和运算符号，例如：

reward = (level > 3 ? 100 : 50) * (time > 60 ? 2 : 1)

这个表达式的意思是，如果当前用户的等级大于3，则奖励金额是100元，否则是50元，然后根据用户进行某项操作的时间，可能需要将金额乘以2倍。现在，我们希望能够根据用户的等级和时间来计算奖励金额，如何实现呢？

我们可以使用模板字符串来实现这个功能，具体步骤如下：

根据用户的等级和时间，动态生成奖励金额计算表达式；
调用evaluate函数，计算表达式的结果。

下面是一个具体的实现示例：

#include <iostream>
#include <sstream>

template<typename T>
T evaluate(const std::string& expr);

int main()
{
    // 根据用户等级和时间计算奖励金额
    int level = 2;
    double time = 80.5;
    std::string expr = "return (" + std::to_string(level) + " > 3 ? 100 : 50) * (" + std::to_string(time) + " > 60 ? 2 : 1);";
    auto reward = evaluate<int>(expr);
    std::cout << "reward = " << reward << std::endl;
    return 0;
}

template<typename T>
T evaluate(const std::string& expr)
{
    static_assert(std::is_arithmetic<T>::value, "Invalid type");
    if (expr.empty()) {
        throw std::invalid_argument("Empty expression");
    }
    auto bad_chars = std::string("\"';");
    if (expr.find_first_of(bad_chars) != std::string::npos) {
        throw std::invalid_argument("Invalid characters in expression");
    }
    std::stringstream ss;
    ss << expr;
    auto code = ss.str();
    auto func = [&]() -> T
    {
        return reinterpret_cast<T(*)(void)>(std::addressof(code))();
    };
    return func();
}

在上述代码中，我们首先根据用户的等级和时间，使用字符串拼接的方式动态生成奖励金额计算表达式，然后将该表达式传入evaluate函数中计算。执行结果如下：