C++模板（第二版）笔记之第四章：变参模板

文章目录

• ​​一、变参模板​​

• ​​1.变参模板eg​​
• ​​2.变参和非变参模板的重载​​
• ​​3.sizeof... 运算符​​

• ​​二、折叠表达式​​
• ​​三、变参模板的使用​​
• ​​四、变参类模板和变参表达式​​

• ​​1.变参表达式​​
• ​​2.变参下标​​
• ​​3.变参类模板​​
• ​​4.变参推断指引​​
• ​​5.变参基类及其使用​​

• ​​五、总结​​

一、变参模板

1.变参模板eg

可以将模板参数定义成能够接受任意多个模板参数的情况。 这一类模板被称为变参模板（variadic template）。

• eg：可以通过调用下面代码中的 print()函数来打印一组数量和类型都不确定的参数：

#include <iostream>
//为了结束递归， 重载了不接受参数的非模板函数 print()， 它会在参数包为空的时候被调用。
void print ()
{

}

//这些被称为 args的剩余参数， 是一个函数参数包（function parameter pack） ：
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
}


int main()
{
    std::string s("world");
    print (7.5, "hello", s);
}

• 测试：

7.5
hello
World

解释：

• 因为这个调用首先会被扩展成：

print<double, char const*, std::string> (7.5, “hello”, s);
其中：
firstArg 的值是 7.5， 其类型 T 是 double。
args 是一个可变模板参数， 它包含类型是 char const*的“hello” 和类型是 std::string 的“world”

• 在打印了 firstArg 对应的 7.5 之后， 继续调用 print()打印剩余的参数， 这时 print()被扩展为：

print<char const*, std::string> (“hello”, s);
其中：
firstArg 的值是“hello” ， 其类型 T 是 char const *。
args 是一个可变模板参数， 它包含的参数类型是 std::string。

• 在打印了 firstArg 对应的“hello” 之后， 继续调用 print()打印剩余的参数， 这时 print()被扩展为：
  print<std::string> (s);

其中：
firstArg 的值是“world” ， 其类型 T 是 std::string。
args 是一个空的可变模板参数， 它没有任何值

• 这样在打印了 firstArg 对应的“ world” 之后， 就会调用被重载的不接受参数的非模板函数print()， 从而结束了递归。

2.变参和非变参模板的重载

• eg：当两个函数模板的区别只在于尾部的参数包的时候， 会优先选择没有尾部参数包的那一个函数模板。

#include <iostream>
//为了结束递归， 重载了不接受参数的非模板函数 print()， 它会在参数包为空的时候被调用。
template<typename T>
void print (T arg)
{
    std::cout << arg << '\n' ; //print passed argument
}

//这些被称为 args的剩余参数， 是一个函数参数包（function parameter pack） ：
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
}

• 另外：

#include <iostream>
 template<typename T>
void print(T arg)
{
  (std::cout << arg) << '\n';
}
int main()
{
    std::cout << "Hello World";
    print();
    return 0;
}

• 测试：

/home/insights/insights.cpp:10:5: error: no matching function for call to 'print'
    print();
    ^~~~~
/home/insights/insights.cpp:3:6: note: candidate function template not viable: requires single argument 'arg', but no arguments were provided
void print(T arg)
     ^
1 error generated.
Error while processing /home/insights/insights.cpp.

3.sizeof… 运算符

C++11 为变参模板引入了一种新的 sizeof 运算符： sizeof…。 它会被扩展成参数包中所包含的参数数目。

• 运算符 sizeof…既可以用于模板参数包， 也可以用于函数参数包。

template<typename T, typename… Types>
void print (T firstArg, Types… args)
{
  std::cout << firstArg << ’ \n’ ; //print first argument
  std::cout << sizeof…(Types) << ’ \n’ ; //print number of remaining
  types
  std::cout << sizeof…(args) << ’ \n’ ; //print number of remainingargs
…
}

• 错误做法：这样可能会让你觉得， 可以不使用为了结束递归而重载的不接受参数的非模板函数 print()，只要在没有参数的时候不去调用任何函数就可以了：

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
  }
}

解释：

• 但是这一方式是错误的， 因为通常函数模板中 if 语句的两个分支都会被实例化。
• 因此如果在只有一个参数的时候调用 print()函数模板， 虽然 args…为空， if 语句中的 print(args…)也依然会被实例化， 但此时没有定义不接受参数的 print()函数，因此会报错
• 其他方法：如果使用 constexp if， 就可以在函数内部决定是否要继续递归下去， 而不用再单独定义一个函数来终结递归：

template<typename T, typename… Types>
void print (T firstArg, Types… args)
{
  std::cout << firstArg << ’ \n’ ;
  if constexpr(sizeof…(args) > 0) { 
    print(args…); //code only available if sizeof…(args)>0 (sinceC++17)
  }
}

解释：

• 这里如果只给 print()传递一个参数， 那么 args…就是一个空的参数包， 此时 sizeof…(args)等于
  0。
• 这样 if 语句里面的语句就会被丢弃掉， 也就是说这部分代码不会被实例化。 因此也就不
  再需要一个单独的函数来终结递归

二、折叠表达式

从 C++17 开始， 提供了一种可以用来计算参数包（可以有初始值） 中所有参数运算结果的二元运算符。

• 几乎所有的二元运算符都可以用于折叠表达式
• eg：下面的函数会返回 s 中所有参数的和。如果参数包是空的， 这个表达式将是不合规范的。

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

更好的方法

template<class ...T>
auto sum(T ...t)
{
    return (0+...+t);
}

• 可能的折叠表达式：



• eg：使用折叠表达式和运算符->*遍历一条二叉树的路径：

// define binary tree structure and traverse helpers:
struct Node {
  int value;
  Node* left;
  Node* right;
  Node(int i=0) : value(i), left(nullptr), right(nullptr) {}
};

auto left = &Node::left;
auto right = &Node::right;
// traverse tree, using fold expression:
template<typename T, typename… TP>
Node* traverse (T np, TP… paths) 
{
//折叠表达式从 np 开始遍历了 paths 中所有可变成员。
  return (np ->* … ->* paths); // np ->* paths1 ->* paths2 …
}

int main()
{
  // init binary tree structure:
  Node* root = new Node{0};
  root->left = new Node{1};
  root->left->right = new Node{2}; 
  //traverse binary tree:
  Node* node = traverse(root, left, right);
}

• eg：在参数包各元素之间并不会打印空格。它可以在所有要打印的参数后面追加一个空格：

template<typename T>
class AddSpace
{
private:
    T const& ref; // refer to argument passed in constructor
public:
    AddSpace(T const& r): ref(r) {
}

friend std::ostream& operator<< (std::ostream& os, AddSpace<T>s) 
{
    return os << s.ref <<’ ’ ; // output passed argument and a space
}
};

template<typename… Args>
void print (Args… args) {
( 
    std::cout << … << AddSpace<Args>(args) ) << ’ \n’ ;
}

//更好的方法
template <class T0, class ...T>
void print(T0 const &t0, T const &...t) {
    std::cout << t0;
    ((std::cout << ' ' << t), ...);
    std::cout << std::endl;
}

三、变参模板的使用

一个重要的作用是转发任意类型和数量的参数。

通常是使用移动语义对参数进行完美转发（perfectly forwarded）

注意， 之前关于常规模板参数的规则同样适用于变参模板参数。

• 比如， 如果参数是按值传递的， 那么其参数会被拷贝， 类型也会退化（decay） 。 如果是按引用传递的， 那么参数会是实参的引用， 并且类型不会退化：

// args are copies with decayed types:
template<typename… Args> void foo (Args… args);
// args are nondecayed references to passed objects:
template<typename… Args> void bar (Args const&… args);

四、变参类模板和变参表达式

参数包还可以出现在其它一些地方， 比如表达式， 类模板， using 声明， 甚至是推断指引中。

1.变参表达式

• eg：先是将参数包中的所有的参数都翻倍， 然后将结果传给 print()：

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

如果这样调用它：
printDoubled(7.5, std::string("hello"), std::complex<float>(4,2));

效果上和下面的调用相同（除了构造函数方面的不同） ：
print(7.5 + 7.5, std::string("hello") + std::string("hello"),
std::complex<float>(4,2) + std::complex<float>(4,2);

• 如果只是想向每个参数加 1， 省略号…中的点不能紧跟在数值后面：

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
}

• eg：折叠表达式的一种应用：下面这个例子可以用来判断所有参数包中参数的类型是否相同：

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

对于：
isHomogeneous(43, -1, "hello")
会被扩展成：
std::is_same<int,int>::value && std::is_same<int,char const*>::value
结果自然是 false。 

而对：isHomogeneous("hello", "", "world", "!")
结果则是 true， 因为所有的参数类型都被推断为 char const *（ 这里因为是按值传递， 所以
发生了类型退还， 否则类型将依次被推断为： char const[6], char const[1], char const[6]和 char const[2]） 。

2.变参下标

• eg：通过一组变参下标来访问第一个参数中相应的元素：

// Example program
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;

//为了结束递归， 重载了不接受参数的非模板函数 print()， 它会在参数包为空的时候被调用。
template<typename T>
void print (T arg)
{
    std::cout << arg << '\n' ; //print passed argument
}

//这些被称为 args的剩余参数， 是一个函数参数包（function parameter pack） ：
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
}


template<typename C,typename... Idx>
void printElems (C const& coll, Idx... idx)
{
    if constexpr(sizeof...(idx) > 0) 
    {
        print (coll[idx]...);
    }
    else
    {
        std::cout<<"need 1 paras at least"<<std::endl;
    }
}    

int main()
{
    //相当于调用了：print (coll[2], coll[0], coll[3]);
    std::vector<std::string> coll = {"good", "times", "say", "bye"};
    printElems(coll,2,0,3);

}

• eg：也可以将非类型模板参数声明成参数包。

template<std::size_t... Idx, typename C>
void printIdx(C const& coll)
{
  print(coll[Idx]...);
}

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

3.变参类模板

• eg：通过任意多个模板参数指定了 class 相应数据成员的类型：

template<typename… Elements>class Tuple;
Tuple<int, std::string, char> t; // t can hold integer, string, and character

• eg：指定对象可能包含的类型：

template<typename… Types>
class Variant;
Variant<int, std::string, char> v; // v can hold integer, string, or character

• eg：将 class 定义成代表了一组下表的类型：

// type for arbitrary number of indices:
template<std::size_t…>
struct Indices {
};

• eg：定义一个通过 print()打印 std::array 或者 std::tuple 中元素的函数， 具体打印哪些元素由编译阶段的 get<>从给定的下标中获取：

template<typename T, std::size_t… Idx>
void printByIdx(T t, Indices<Idx…>)
{
  print(std::get<Idx>(t)…);
}

//使用1
std::array<std::string, 5> arr = {"Hello", "my", "new", "!", "World"};
printByIdx(arr, Indices<0, 4, 3>());

//使用2
auto t = std::make_tuple(12, "monkeys", 2.0);
printByIdx(t, Indices<0, 1, 2>());

4.变参推断指引

• eg： std::array 定义了如下推断指引：

namespace std {
template<typename T, typename… U> array(T, U…)
//is_same_v<T, U1> && is_same_v<T, U2> && is_same_v<T, U3> …
//如果结果是 false（也就是说 array 中元素不是同一种类型） ， 推断指引会被弃用， 总的类型推断失败。
-> array<enable_if_t<(is_same_v<T, U> && …), T>, (1 + sizeof…(U))>;
}

初始化:std::array a{42,45,77};
会将指引中的 T 推断为 array（ 首） 元素的类型， 而 U...会被推断为剩余元素的类型。 因此array 中元素总数目是 1 + sizeof...(U)， 等效于如下声明:
std::array<int, 3> a{42,45,77};

5.变参基类及其使用

• eg：

#include <string>
#include <unordered_set>
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:
  //从其每个基类中引入了 operator()的声明
  //从 CustomerHash 和 CustomerEq 派生出了 CustomerOP， 而且派生类中会包含两个基类中的operator()的实现。
  using CustomerOP = Overloader<CustomerHash,CustomerEq>;
  std::unordered_set<Customer,CustomerHash,CustomerEq> coll1;
  std::unordered_set<Customer,CustomerOP,CustomerOP> coll2;
  …
}

五、总结

通过使用参数包， 模板可以有任意多个任意类型的参数。
为了处理这些参数， 需要使用递归， 而且需要一个非变参函数终结递归（如果使用编译期判断， 则不需要非变参函数来终结递归） 。
运算符 sizeof…用来计算参数包中模板参数的数目。
变参模板的一个典型应用是用来发送（forward） 任意多个任意类型的模板参数。
通过使用折叠表达式， 可以将某种运算应用于参数包中的所有参数。

• ref：《C++Template》第二版