c++如何使用std::ratio进行编译期比例计算_c++ 分数运算与单位转换【详解】

std::ratio是C++11引入的编译期有理数类型，封装分子分母为模板参数，不占运行时内存，用于单位换算、维度检查及chrono精度刻度。

std::ratio 是什么，它能做什么

std::ratio 是 C++11 引入的编译期有理数类型，本质是两个整型模板参数 Numerator 和 Denominator 的封装，不占用运行时内存，所有运算都在编译期完成。它本身不提供加减乘除等运算符重载，也不直接参与数值计算，而是作为类型标签，配合 std::ratio_add、std::ratio_multiply 等元函数做比例推导——典型用途是单位系统建模（比如秒/毫秒换算）、维度检查（如速度 = 长度/时间）、或为 std::chrono::duration 提供精度刻度。

用 std::ratio_multiply 和 std::ratio_divide 做分数约简与复合

你不能写 r1 * r2，必须显式调用元函数。它们返回的是新的 std::ratio 类型，所有约分、通分、符号归一化都在编译期完成。

static_assert(std::is_same_v<
    std::ratio_multiply, std::ratio<2, 9>>,
    std::ratio<1, 6>
>, "3/4 * 2/9 == 1/6");
static_assert(std::is_same_v<
std::ratio_divide, std::ratio<10, 3>>,
std::ratio<1, 8>
, "5/12 ÷ 10/3 == 1/8");

• std::ratio 的分母始终为正，负号统一落在分子上；std::ratio 和 std::ratio 都等价于 std::ratio
• 所有元函数（_add/_sub/_mul/_div）都要求结果可表示为 intmax_t 范围内的整数，否则编译失败（例如 std::ratio_multiply<:ratio>, std::ratio>）
• 没有 std::ratio_pow 或开方支持，需手动展开或借助 constexpr 函数模拟

和 std::chrono::duration 绑定实现单位转换

std::ratio 最实用的落点是 std::chrono::duration 的第二个模板参数。比如 std::chrono::milliseconds 就是 duration，其中 milli = std::ratio。

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using us = std::chrono::microseconds;
using ms = std::chrono::milliseconds;
using sec = std::chrono::seconds;
// 编译期确认：1 ms == 1000 us
static_assert(us(1000) == ms(1));
// 自定义单位：纳秒级采样周期
using sample_period = std::chrono::duration;
static_assert(sample_period(1'000'000) == ms(1));

• 不同 ratio 的 duration 类型之间赋值或比较，会触发隐式转换，但前提是目标类型能无损容纳源值（否则编译报错或警告）
• 避免用 auto 捕获 duration_cast 结果——它返回的是新类型，不是原类型，容易误判精度损失
• std::ratio 表示 1/1（即整数倍），std::ratio 表示百分之一，别写成 std::ratio（那是 0，但 std::ratio 是未定义行为）

常见错误：把 ratio 当运行时浮点数用

std::ratio 没有 .num/.den 成员变量，只有静态常量 num 和 den；它也不是 constexpr 对象，不能传给需要 double 的函数。

• 错误写法：double x = std::ratio.num / std::ratio.den; —— std::ratio 不是对象，不能加 .
• 正确取值：constexpr double v = double(std::ratio::num) / std::ratio::den;
• 更安全做法：用 std::ratio::num * 1.0 / std::ratio::den 避免整数截断
• 若需大量运行时分数运算，别硬套 std::ratio，改用 std::pair + 手动约分，或引入 boost::rational

实际用起来最易忽略的一点：所有 std::ratio_* 元函数返回的都是全新类型，哪怕数值相同（比如 std::ratio 和 std::ratio），它们的类型也不同，static_assert 必须用 std::is_same_v 比较类型，不能靠值相等判断。