c++11-17 模板核心知识（四）—— 可变参数模板 Variadic Template #154

zhangyachen · 2020-11-08T14:26:03Z

模板参数接收任意数量的参数。

定义与使用

定义：

void print() {}

template <typename T, typename... Types> 
void print(T firstArg, Types... args) {
  std::cout << firstArg << '\n'; // print first argument
  print(args...);                // call print() for remaining arguments
}

使用：

std::string s("world");
print (7.5, "hello", s);

C和GO都有类似的概念和定义方式，很好理解。定义void print() {}是为了终止递归。

args被叫做function parameter pack.

sizeof...

返回parameter pack个数：

template<typename T, typename... Types>
void print (T firstArg, Types... args)
{
  std::cout << sizeof...(Types) << '\n';         // print number of remaining types
  ...
}

也许有人会想利用sizeof...来判断：只有当可变参数模板的参数个数大于0时，才调用print，这样可以省略void print() {}：

template <typename T, typename... Types> 
void print(T firstArg, Types... args) {
  std::cout << firstArg << '\n';
  if (sizeof...(args) > 0) { // error if sizeof...(args)==0
    print(args...);          // and no print() for no arguments declared
  }
}

但是这样是错误的，因为模板在编译阶段也会将if的所有代码都进行编译，而不会去根据if的条件去进行选择性的编译，选择运行if的哪个分支是在运行期间做的。

Compile-Time If

但是c++17引入了编译期的if（Compile-Time If），所以上面的代码可以这么写:

template <typename T, typename... Types>
void print(T const &firstArg, Types const &... args) {
  std::cout << firstArg << '\n';
  if constexpr (sizeof...(args) > 0) {
    print(args...); // code only available if sizeof...(args)>0 (since C++17)
  }
}

if constexpr是c++17中编译期if的语法。这样就可以进行在编译期决定编译if条件的哪个分支。再举个例子：

template <typename T>
std::string asString(T x)
{
    if constexpr(std::is_same_v<T, std::string>) {
        return x;   //如果T不是string就是无效的语句
    }
    else if constexpr(std::is_arithmetic_v<T>) {
        return std::to_string(x);   //如果x不是数字就是无效的语句
    }
    else {
        return std::string(x);  //如果不能转换为string就是无效的语句。
    }
}

折叠表达式 Fold Expressions

从c++17开始，折叠表达式可以将二元运算符作用于所有parameter pack的参数上：

Fold Expression	Evaluation
( ... op pack )	((( pack1 op pack2 ) op pack3 ) ... op packN )
( pack op ... )	( pack1 op ( ... ( packN-1 op packN )))
( init op ... op pack )	((( init op pack1 ) op pack2 ) ... op packN )
( pack op ... op init )	( pack1 op ( ... ( packN op init )))

比如求parameter pack的和：

template<typename... T>
auto foldSum (T... s) {
  return (... + s);           // ((s1 + s2) + s3) ...
}

再比如上面的print例子可以简写成：

template<typename... Types>
void print (Types const&... args) {
  (std::cout << ... << args) << '\n';
}

如果想要在每个参数中间输出空格，可以配合lambda:

template <typename FirstType, typename... Args>
void print(FirstType first, Args... args) {
  std::cout << first;

  auto printWhiteSpace = [](const auto arg) { std::cout << " " << arg; };

  (..., printWhiteSpace(args));
}

int main() { 
  print("hello","world","zhangyachen"); 
}

其中， (..., printWhiteSpace(args));会被展开为：printWhiteSpace(arg1), printWhiteSpace(arg2), printWhiteSpace(arg3)这样的格式。

其他场景

Variadic Expressions

比如将每个parameter pack的参数double：

template<typename... T>
void printDoubled (T const&... args) {
  print (args + args...);
}

printDoubled(7.5, std::string("hello"), std::complex<float>(4,2));

上面的调用会展开为：

print(7.5 + 7.5,
std::string("hello") + std::string("hello"),
std::complex<float>(4,2) + std::complex<float>(4,2);

如果只是想加1，可以改为：

template<typename... T>
void addOne (T const&... args) {
  print (args + 1...);        // ERROR: 1... is a literal with too many decimal points
  print (args + 1 ...);     // OK
  print ((args + 1)...);    // OK
}

还可以用在Compile-time Expression中，比如下面的函数会判断所有的参数类型是否一致：

template<typename T1, typename... TN>
constexpr bool isHomogeneous (T1, TN...) {
  return (std::is_same<T1,TN>::value && ...);        // since C++17
}

isHomogeneous(43, -1, "hello");

上面的调用会展开为：

std::is_same<int,int>::value && std::is_same<int,char const*>::value       // false

Variadic Indices

template<typename C, typename... Idx>
void printElems (C const& coll, Idx... idx) {
  print (coll[idx]...);
}

std::vector<std::string> coll = {"good", "times", "say", "bye"};
printElems(coll,2,0,3);

最后的调用相当于：

print (coll[2], coll[0], coll[3]);

Variadic Class Templates

比如标准库的Tuple:

template<typename... Elements>
class Tuple;

Tuple<int, std::string, char> t; // t can hold integer, string, and character

Variadic Deduction Guides

namespace std {
template <typename T, typename... U>
array(T, U...)
    -> array<enable_if_t<(is_same_v<T, U> && ...), T>, (1 + sizeof...(U))>;
}

std::array a{42,45,77};

关键点：

enable_if_t控制是否启用该模板。这个后面文章会讲到。
is_same_v<T, U> && ...判断数组元素类型是否相同，跟上面提到的例子用法一样。

Variadic Base Classes and using

c++17的新特性，中文翻译应该叫：变长的using声明。C++17尝鲜：变长 using 声明这篇文章关于using的来龙去脉讲的很清楚，推荐大家看看。

一个更实际的例子：

class Customer {
private:
  std::string name;

public:
  Customer(std::string const &n) : name(n) {}
  std::string getName() const { return name; }
};

struct CustomerEq {
  bool operator()(Customer const &c1, Customer const &c2) const {
    return c1.getName() == c2.getName();
  }
};

struct CustomerHash {
  std::size_t operator()(Customer const &c) const {
    return std::hash<std::string>()(c.getName());
  }
};

// define class that combines operator() for variadic base classes:
template <typename... Bases> struct Overloader : Bases... {
  using Bases::operator()...; // OK since C++17
};

int main() {
  // combine hasher and equality for customers in one type:
  using CustomerOP = Overloader<CustomerHash, CustomerEq>;
  std::unordered_set<Customer, CustomerHash, CustomerEq> coll1;
  std::unordered_set<Customer, CustomerOP, CustomerOP> coll2;
  ...
}

这里给unordered_set提供自定义的Hash和KeyEqual。

关于可变参数模板的应用场景和各种使用技巧有很多，这里只列了5种大方向的应用场景，但是起码下次遇到看不懂的地方时，知道往哪个大方向去查，不至于一头雾水：）

（完）

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