[C++11]C++可变参数模板

可变参数模板

原文链接: http://blog.csdn.net/xiaohu2022/article/details/69076281
普通模板只可以采取固定数量的模板参数。然而，有时候我们希望模板可以接收任意数量的模板参数，这个时候可以采用可变参数模板。对于可变参数模板，其将包含至少一个模板参数包，模板参数包是可以接收0个或者多个参数的模板参数。相应地，存在函数参数包，意味着这个函数参数可以接收任意数量的参数。

使用规则

一个可变参数类模板定义如下：

template<typename ... Types>
class Tuple
{};

可以用任意数量的类型来实例化Tuple：

Tuple<> t0;
Tuple<int> t1;
Tuple<int, string> t2;
// Tuple<0> error;  0 is not a type

如果想避免出现用0个模板参数来实例化可变参数模板，可以这样定义模板：

template<typename T, typename ... Types>
class Tuple
{};

此时在实例化时，必须传入至少一个模板参数，否则无法编译。
同样地，可以定义接收任意参数的可变参数函数模板：

template<typename ... Types>
void f(Types ... args);

// 一些合法的调用
f();
f(1);
f(3.4, "hello");

对于类模板来说，可变模板参数包必须是模板参数列表中的最后一个参数。但是对于函数模板来说，则没有这个限制，考虑下面的情况：

template<typename ... Ts, typename U>
class Invalid
{};   // 这是非法的定义，因为永远无法推断出U的类型

template<typename ... Ts, typename U>
void valid(U u, Ts ... args);  // 这是合法的，因为可以推断出U的类型
// void invalid(Ts ... args, U u); // 非法的，永远无法推断出U

valid(1.0, 1, 2, 3); // 此时，U的类型是double，Ts是{int, int, int}

可变参数函数模板实例

无法直接遍历传给可变参数模板的不同参数，但是可以借助递归的方式来使用可变参数模板。可变参数模板允许创建类型安全的可变长度参数列表。下面定义一个可变参数函数模板processValues()，它允许以类型安全的方式接受不同类型的可变数目的参数。函数processValues()会处理可变参数列表中的每个值，对每个参数执行对应版本的handleValue()。

// 处理每个类型的实际函数
void handleValue(int value) { cout << "Integer: " << value << endl; }
void handleValue(double value) { cout << "Double: " << value << endl; }
void handleValue(string value) { cout << "String: " << value << endl; }

// 用于终止迭代的基函数
template<typename T>
void processValues(T arg)
{
    handleValue(arg);
}

// 可变参数函数模板
template<typename T, typename ... Ts>
void processValues(T arg, Ts ... args)
{
    handleValue(arg);
    processValues(args ...); // 解包，然后递归
}

可以看到这个例子用了三次... 运算符，但是有两层不同的含义。用在参数模板列表以及函数参数列表，其表示的是参数包。前面说到，参数包可以接受任意数量的参数。用在函数实际调用中的...运算符，它表示参数包扩展，此时会对args解包，展开各个参数，并用逗号分隔。模板总是至少需要一个参数，通过args...解包可以递归调用processValues()，这样每次调用都会至少用到一个模板参数。对于递归来说，需要终止条件，当解包后的参数只有一个时，调用接收一个参数模板的processValues()函数，从而终止整个递归。

假如对processValues()进行如下调用:

processsValues(1, 2.5, "test");

其产生的递归调用如下：

processsValues(1, 2.5, "test");
    handleValue(1);
    processsValues(2.5, "test");
        handleValue(2.5);
        processsValues("test");
            handleValue("test");

由于processValues()函数会根据实际类型推导自动调用正确版本的handleValue()函数，所以这种可变参数列表是完全类型安全的。如果调用processValues()函数带有的一个参数，无对应的handleValue()函数版本，那么编译器会产生一个错误。

前面的实现有一个致命的缺陷，那就是递归调用时参数是复制传值的，对于有些类型参数，其代价可能会很高。一个高效且合理的方式是按引用传值，但是对于字面量调用processValues()这样会存在问题，因为字面量仅允许传给const引用参数。比较幸运的是，我们可以考虑右值引用。使用std::forward()函数可以实现这样的处理，当把右值引用传递给processValues()函数时，它就传递为右值引用，但是如果把左值引用传递给processValues()函数时，它就传递为左值引用。下面是具体实现：

// 用于终止迭代的基函数
template<typename T>
void processValues(T &&arg)
{
    handleValue(std::forward<T>(arg));
}

// 可变参数函数模板
template<typename T, typename ... Ts>
void processValues(T&& arg, Ts&& ... args)
{
    handleValue(std::forward<T>(arg));
    processValues(std::forward<Ts>(args) ...); // 先使用forward函数处理后，再解包，然后递归
}

实现简化的printf函数

这里我们通过可变参数模板实现一个简化版本的printf函数：

// 基函数
void tprintf(const char* format)
{
    cout << format;
}

template<typename T, typename ... Ts>
void tprintf(const char* format, T&& value, Ts&& ... args)
{
    for (; *format != ''; ++format)
    {
        if (*format == '%')
        {
            cout << value;
            tprintf(format + 1, std::forward<Ts>(args) ...); // 递归
            return;
        }
        cout << *format;
    }
}
int main()
{

    tprintf("% world% %
", "Hello", '!', 2017);
    // output: Hello, world! 2017
    cin.ignore(10);
    return 0;
}

其方法基本与processValues()是一致的，但是由于tprintf的第一个参数固定是const char*类型。

References

[1] Marc Gregoire. Professional C++, Third Edition, 2016.
[2] cppreference parameter pack

原文作者：小白将
链接：https://www.jianshu.com/p/4bf4d1860588