浅析C++可变参数模板的展开方式

前言

可变参数模板（variadic templates）是C++11新增的强大的特性之一，它对模板参数进行了高度泛化，能表示0到任意个数、任意类型的参数。相比C++98/03这些类模版和函数模版中只能含固定数量模版参数的“老古董”，可变模版参数无疑是一个巨大的进步。

如果是刚接触可变参数模板可能会觉得比较抽象，使用起来会不太顺手，使用可变参数模板时通常离不开模板参数的展开，所以本文来列举一些常用的模板展开方式，帮助我们来对可变参数模板有一个初步的了解。

可变参数模板的定义

可变参数模板和普通模板的定义类似，在写法上需要在 typename 或 class 后面带上省略号...，以下为一个常见的可变参数函数模板：

template <class... T>
void func(T... args)
{
    //...
}

上面这个函数模板的参数 args 前面有省略号，所以它就是一个被称为模板参数包（template parameter pack）的可变模版参数，它里面包含了0到N个模版参数，而我们是无法直接获取 args 中的每个参数的，只能通过展开参数包的方式来获取参数包中的每个参数，这也是本文要重点总结的内容。

参数包的展开

参数包展开的方式随着c++语言的发展也在与时俱进，我们以实现一个可变参格式化打印函数为例，列举一些常用的方式：

递归函数方式展开

#include <iostream>
void FormatPrint()
{
    std::cout << std::endl;
}
template <class T, class ...Args>
void FormatPrint(T first, Args... args)
{
   std::cout << "[" << first << "]";
   FormatPrint(args...);
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

这种递归展开的方式与递归函数的定义是一样的，需要递归出口和不断调用自身，仔细看看这个函数模板是不是都满足啦？递归出口就是这个无模板参数的 FormatPrint，并且在有参模板中一直在调用自身，递归调用的过程时这样的 FormatPrint(4,3,2,1) -> FormatPrint(3,2,1) -> FormatPrint(2,1) -> FormatPrint(1) -> FormatPrint()，输出内容如下：

>albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++11
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
[1][2][3][4]
[good][2][hello][4][110]

逗号表达式展开

#include <iostream>
template <class ...Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
   (void)std::initializer_list<int>{ (std::cout << "[" << args << "]", 0)... };
   std::cout << std::endl;
}

int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

这种方式用到了C++11的新特性初始化列表（Initializer lists）以及很传统的逗号表达式，我们知道逗号表达式的优先级最低，(a, b) 这个表达式的值就是 b，那么上述代码中(std::cout << "[" << args << "]", 0)这个表达式的值就是0，初始化列表保证其中的内容从左往右执行，args参数包会被逐步展开，表达式前的(void)是为了防止变量未使用的警告，运行过后我们就得到了一个N个元素为0的初始化列表，内容也被格式化输出了：

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++11
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
[1][2][3][4]
[good][2][hello][4][110]

说到这顺便提一下，可以使用sizeof...(args)得到参数包中参数个数。

enable_if方式展开

#include <iostream>
#include <tuple>
#include <type_traits>
template<std::size_t k = 0, typename tup>
typename std::enable_if<k == std::tuple_size<tup>::value>::type FormatTuple(const tup& t)
{
    std::cout << std::endl;
}
template<std::size_t k = 0, typename tup>
typename std::enable_if<k < std::tuple_size<tup>::value>::type FormatTuple(const tup& t){
    std::cout << "[" << std::get<k>(t) << "]";
    FormatTuple<k + 1>(t);
}
template<typename... Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
    FormatTuple(std::make_tuple(args...));
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

C++11的enable_if常用于构建需要根据不同的类型的条件实例化不同模板的时候。顾名思义，当满足条件时类型有效。可作为选择类型的小工具，其广泛的应用在 C++ 的模板元编程（meta programming）之中，利用的就是SFINAE原则，英文全称为Substitution failure is not an error，意思就是匹配失败不是错误，假如有一个特化会导致编译时错误，只要还有别的选择，那么就无视这个特化错误而去选择另外的实现，这里的特化概念不再展开，感兴趣可以自行了解，后续可以单独总结一下。

在上面的代码实现中，基本思路是先将可变模版参数转换为std::tuple，然后通过递增参数的索引来选择恰当的FormatTuple函数，当参数的索引小于tuple元素个数时，会不断取出当前索引位置的参数并输出，当参数索引等于总的参数个数时调用另一个模板重载函数终止递归，编译运行输入以下内容：

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++11
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
[1][2][3][4]
[good][2][hello][4][110]

折叠表达式展开（c++17）

#include <iostream>
template<typename... Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
    (std::cout << ... << args) << std::endl;
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

折叠表达式（Fold Expressions）是C++17新引进的语法特性，使用折叠表达式可以简化对C++11中引入的参数包的处理，可以在某些情况下避免使用递归，更加方便的展开参数，如上述代码中展示的这样可以方便的展开参数包，不过输出的内容和之前的有些不一样：

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++17
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
1234
good2hello4110

对比结果发现缺少了格式化的信息，需要以辅助函数的方式来格式化：

#include <iostream>
template<typename T>
string format(T t) {
    std::stringstream ss;
    ss << "[" << t << "]";
    return ss.str();
}
template<typename... Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
    (std::cout << ... << format(args)) << std::endl;
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

这次格式化内容就被加进来了：

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++17
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
[1][2][3][4]
[good][2][hello][4][110]

这样好像还是有点麻烦，我们可以把折叠表达式和逗号表达式组合使用，这样得到的代码就简单多啦，也能完成格式化输出的任务：

#include <iostream>
template<typename... Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
    (std::cout << ... << (std::cout << "[" << args, "]")) << std::endl;
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

总结

Variadic templates 是C++11新增的强大的特性之一，它对模板参数进行了高度泛化Initializer lists 是C++11新加的特性，可以作为函数参数和返回值，长度不受限制比较方便Fold Expressions 是C++17新引进的语法特性，可以方便的展开可变参数模板的参数包可变参数模板的参数包在C++11的环境下，可以利用递归、逗号表达式、enable_if等方式进行展开

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到此这篇关于C++可变参数模板的展开方式的文章就介绍到这了,更多相关C++模板展开方式内容请搜索脚本之家以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持脚本之家！