C++23：如何实现带编译时格式符与参数数校验的sprintf类函数

需求 #

我正在学习C++23，计划编写一个类似sprintf()的函数，核心要求如下：

• 当传入字符串字面量作为格式串时，在编译时检查%占位符的数量与传入参数数量是否匹配
• 校验通过后生成并返回格式化字符串，暂不考虑具体格式化逻辑

现有实现的问题 #

最初的尝试代码无法实现编译时校验，原因是Sprintf()中调用的std::to_string()并非常量表达式（使用GCC trunk，开启--std=c++2b编译选项）。如果移除std::to_string()并将两个函数标记为consteval，虽然能实现编译时校验，但会严重限制函数功能——比如无法使用std::to_string()、无法创建/操作并返回std::string。

我知道可以通过可变参数宏实现：先调用consteval的count_percents()完成参数数量校验，再调用非consteval的辅助函数执行格式化，但认为C++23应该有更优雅的无宏方案。

最初的问题代码：

#include <iostream>

template <int N>
constexpr size_t count_percents(const char (&s)[N]) {
    size_t count = 0;
    for (size_t i = 0; i < N; i++) 
        if (s[i] == '%') ++count;
    return count;
}

template <int N, typename... Args>
constexpr std::string Sprintf(const char (&format)[N], Args&&... args) {
    if (count_percents(format) != sizeof...(args)) 
        throw std::invalid_argument("wrong number of placeholders in format string");

    return (std::to_string(args) + ...);
}

int main() {
    std::cout << Sprintf("%%", 1, 2);  // 输出"12"，符合预期

    // 期望编译失败，但实际会通过编译并在运行时抛出异常
    std::cout << Sprintf("%", 1, 2); 
}

曾找到相关参考方案，但仅适用于校验逻辑仅依赖格式串的场景，无法满足我基于非consteval函数参数数量触发编译错误的需求。

自解方案 #

我自己实现了一个可完成编译时参数数量校验的方案，代码如下：

#include <cstddef>
#include <iostream>

consteval size_t count_percents(const char* s) {
    size_t i = 0;
    while (*s) if (*s++ == '%') ++i;
    return i;
}

template <size_t N>
struct format_string {
  const char* str;

  consteval format_string(const char* s) : str(s) {
    if (N != count_percents(str))
        // 若此代码路径被实例化，consteval函数中的throw会触发编译错误
        throw std::invalid_argument("wrong number of placeholders");
  }
};

template <typename... T>
void my_print(format_string<sizeof...(T)> format, T&&... args) {
    // 执行到此处说明占位符数量校验通过
}

int main() {
    my_print("foo%%%", 1, 2, 3);   // 正常编译
    // my_print("foo%", 1, 2, 3);  // 触发编译错误！
}

不过存在更优的方案，该方案不仅能校验参数数量，还支持检查实际参数类型。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Crutch