淺析C++可變引數模板的展開方式

前言

可變引數模板（variadic templates）是C++11新增的強大的特性之一，它對模板引數進行了高度泛化，能表示0到任意個數、任意型別的引數。相比C++98/03這些類模版和函數模版中只能含固定數量模版引數的“老古董”，可變模版引數無疑是一個巨大的進步。

如果是剛接觸可變引數模板可能會覺得比較抽象，使用起來會不太順手，使用可變引數模板時通常離不開模板引數的展開，所以本文來列舉一些常用的模板展開方式，幫助我們來對可變引數模板有一個初步的瞭解。

可變引數模板的定義

可變引數模板和普通模板的定義類似，在寫法上需要在 typename 或 class 後面帶上省略號...，以下為一個常見的可變引數函數模板：

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

上面這個函數模板的引數 args 前面有省略號，所以它就是一個被稱為模板引數包（template parameter pack）的可變模版引數，它裡面包含了0到N個模版引數，而我們是無法直接獲取 args 中的每個引數的，只能通過展開引數包的方式來獲取引數包中的每個引數，這也是本文要重點總結的內容。

引數包的展開

引數包展開的方式隨著c++語言的發展也在與時俱進，我們以實現一個可變參格式化列印函數為例，列舉一些常用的方式：

遞迴函數方式展開

#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;
}

這種遞迴展開的方式與遞迴函數的定義是一樣的，需要遞迴出口和不斷呼叫自身，仔細看看這個函數模板是不是都滿足啦？遞迴出口就是這個無模板引數的 FormatPrint，並且在有參模板中一直在呼叫自身，遞迴呼叫的過程時這樣的 FormatPrint(4,3,2,1) -> FormatPrint(3,2,1) -> FormatPrint(2,1) -> FormatPrint(1) -> FormatPrint()，輸出內容如下：

>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]

逗號表示式展開

#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;
}

這種方式用到了C++11的新特性初始化列表（Initializer lists）以及很傳統的逗號表示式，我們知道逗號表示式的優先順序最低，(a, b) 這個表示式的值就是 b，那麼上述程式碼中(std::cout << "[" << args << "]", 0)這個表示式的值就是0，初始化列表保證其中的內容從左往右執行，args引數包會被逐步展開，表示式前的(void)是為了防止變數未使用的警告，執行過後我們就得到了一個N個元素為0的初始化列表，內容也被格式化輸出了：

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]

說到這順便提一下，可以使用sizeof...(args)得到引數包中引數個數。

enable_if方式展開

#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常用於構建需要根據不同的型別的條件範例化不同模板的時候。顧名思義，當滿足條件時型別有效。可作為選擇型別的小工具，其廣泛的應用在 C++ 的模板超程式設計（meta programming）之中，利用的就是SFINAE原則，英文全稱為Substitution failure is not an error，意思就是匹配失敗不是錯誤，假如有一個特化會導致編譯時錯誤，只要還有別的選擇，那麼就無視這個特化錯誤而去選擇另外的實現，這裡的特化概念不再展開，感興趣可以自行了解，後續可以單獨總結一下。

在上面的程式碼實現中，基本思路是先將可變模版引數轉換為std::tuple，然後通過遞增引數的索引來選擇恰當的FormatTuple函數，當引數的索引小於tuple元素個數時，會不斷取出當前索引位置的引數並輸出，當引數索引等於總的引數個數時呼叫另一個模板過載函數終止遞迴，編譯執行輸入以下內容：

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]

摺疊表示式展開（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;
}

摺疊表示式（Fold Expressions）是C++17新引進的語法特性，使用摺疊表示式可以簡化對C++11中引入的引數包的處理，可以在某些情況下避免使用遞迴，更加方便的展開引數，如上述程式碼中展示的這樣可以方便的展開引數包，不過輸出的內容和之前的有些不一樣：

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

對比結果發現缺少了格式化的資訊，需要以輔助函數的方式來格式化：

#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;
}

這次格式化內容就被加進來了：

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]

這樣好像還是有點麻煩，我們可以把摺疊表示式和逗號表示式組合使用，這樣得到的程式碼就簡單多啦，也能完成格式化輸出的任務：

#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;
}

總結

Variadic templates 是C++11新增的強大的特性之一，它對模板引數進行了高度泛化Initializer lists 是C++11新加的特性，可以作為函數引數和返回值，長度不受限制比較方便Fold Expressions 是C++17新引進的語法特性，可以方便的展開可變引數模板的引數包可變引數模板的引數包在C++11的環境下，可以利用遞迴、逗號表示式、enable_if等方式進行展開

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