【C++】C++11可变参数模板（函数模板、类模板）

在C++11之前，类模板和函数模板只能含有固定数量的模板参数。C++11增强了模板功能，允许模板定义中包含0到任意个模板参数，这就是可变参数模板。可变参数模板的加入使得C++11的功能变得更加强大，而由此也带来了许多神奇的用法。

本文实例源码github地址：https://github.com/yngzMiao/yngzmiao-blogs/tree/master/2020Q2/20200401。

可变参数模板

可变参数模板和普通模板的语义是一样的，只是写法上稍有区别，声明可变参数模板时需要在typename或class后面带上省略号...：

template<typename... Types>

其中，...可接纳的模板参数个数是0个及以上的任意数量，需要注意包括0个。

若不希望产生模板参数个数为0的变长参数模板，则可以采用以下的定义：

template<typename Head, typename... Tail>

本质上，...可接纳的模板参数个数仍然是0个及以上的任意数量，但由于多了一个Head类型，由此该模板可以接纳1个及其以上的模板参数。

函数模板的使用

在函数模板中，可变参数模板最常见的使用场景是以递归的方法取出可用参数：

void print() {}

template<typename T, typename... Types>
void print(const T& firstArg, const Types&... args) {
	std::cout << firstArg << " " << sizeof...(args) << std::endl;
	print(args...);
}

通过设置...，可以向print函数传递任意个数的参数，并且各个参数的类型也是任意。也就是说，可以允许模板参数接受任意多个不同类型的不同参数。这就是不定参数的模板，格外需要关注的是，...三次出现的位置。

如果如下调用print函数：

print(2, "hello", 1);

如此调用会递归将3个参数全部打印。细心的话会发现定义了一个空的print函数，这是因为当使用可变参数的模板，需要定义一个处理最后情况的函数，如果不写，会编译错误。这种递归的方式，是不是觉得很惊艳！

在不定参数的模板函数中，还可以通过如下方式获得args的参数个数：

sizeof...(args)

假设，在上面代码的基础上再加上一个模板函数如下，那么运行的结果是什么呢？

#include <iostream>

void print() {}

template<typename T, typename... Types>
void print(const T& firstArg, const Types&... args) {
	std::cout << firstArg << " " << sizeof...(args) << std::endl;
	print(args...);
}

template <typename... Types>
void print(const Types&... args) {
  std::cout << "print(...)" << std::endl;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
	print(2, "hello", 1);

	return 0;
}

现在有一个模板函数接纳一个参数加上可变参数，还有一个模板函数直接接纳可变参数，如果调用print(2, “hello”, 1)，会发现这两个模板函数的参数格式都符合。是否会出现冲突、不冲突的话会执行哪一个呢？

运行代码后的结果为：

[e-mail]:~/test/$ ./main 
2 2
hello 1
1 0

从结果上可以看出，程序最终选择了一个参数加上不定参数的模板函数。也就是说，当较泛化和较特化的模板函数同时存在的时候，最终程序会执行较特化的那一个。

再比如一个例子，std::max函数只可以返回两个数的较大者，如果多个数，就可以通过不定参数的模板来实现：

#include <iostream>

template <typename T>
T my_max(T value) {
  return value;
}

template <typename T, typename... Types>
T my_max(T value, Types... args) {
  return std::max(value, my_max(args...));
}

int main(int argc, char *argv[]) {
  std::cout << my_max(1, 5, 8, 4, 6) << std::endl;

	return 0;
}

类模板的使用

除了函数模板的使用外，类模板也可以使用不定参数的模板参数，最典型的就是tuple类了。其大致代码如下：

#include <iostream>

template<typename... Values> class tuple;
template<> class tuple<> {};

template<typename Head, typename... Tail>
class tuple<Head, Tail...>
  : private tuple<Tail...>
{
  typedef tuple<Tail...> inherited;
  public:
    tuple() {}
    tuple(Head v, Tail... vtail) : m_head(v), inherited(vtail...) {}
    Head& head() {return m_head;}
    inherited& tail() {return *this;}
  protected:
    Head m_head;
};

int main(int argc, char *argv[]) {
	tuple<int, float, std::string> t(1, 2.3, "hello");
	std::cout << t.head() << " " << t.tail().head() << " " << t.tail().tail().head() << std::endl;

	return 0;
}

根据代码可以知道，tuple类继承除首之外的其他参数的子tuple类，以此类推，最终继承空参数的tuple类。继承关系可以表述为：

tuple<>
      ↑
tuple<std::string>
  string "hello"
      ↑
tuple<float, std::string>
  float 2.3
      ↑
tuple<int, float, std::string>
  int 1

接下来考虑在内存中的分布，内存中先存储父类的变量成员，再保存子类的变量成员，也就是说，对象t按照内存分布来说；

┌─────────┐<---- 对象指针
|  hello  |
|─────────|
|  2.3    |
|─────────|
|  1      |
└─────────┘

这时候就可以知道下一句代码的含义了：

inherited& tail() {return *this;}

tail()函数返回的是父类对象，父类对象和子类对象的内存起始地址其实是一样的，因此返回*this，再强行转化为inherited类型。

当然，上面采用的是递归继承的方式，除此之外，还可以采用递归复合的方式：

template<typename... Values> class tup;
template<> class tup<> {};

template<typename Head, typename... Tail>
class tup<Head, Tail...>
{
  typedef tup<Tail...> composited;
  public:
    tup() {}
    tup(Head v, Tail... vtail) : m_head(v), m_tail(vtail...) {}
    Head& head() {return m_head;}
    composited& tail() {return m_tail;}
  protected:
    Head m_head;
    composited m_tail;
};

两种方式在使用的过程中没有什么区别，但C++11中采用的是第一种方式(递归继承)。

在上面的例子中，取出tuple中的元素是一个比较复杂的操作，需要不断地取tail，最终取head才能获得。标准库的std::tuple，对此进行简化，还提供了一些其他的函数来进行对tuple的访问。例如：

#include <iostream>
#include <tuple>

int main(int argc, char *argv[]) {
  std::tuple<int, float, std::string> t2(1, 2.3, "hello");
  std::get<0>(t2) = 4;                      // 修改tuple内的元素
  std::cout << std::get<0>(t2) << " " << std::get<1>(t2) << " " << std::get<2>(t2) << std::endl;    // 获取tuple内的元素

  auto t3 = std::make_tuple(2, 3.4, "World");         // make方法生成tuple对象
  
  std::cout << std::tuple_size<decltype(t3)>::value << std::endl;    // 获取tuple对象元素的个数
  std::tuple_element<1, decltype(t3)>::type f = 1.2;          // 获取tuple对象某元素的类型

	return 0;
}

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