C++高级编程(第4版) 个人笔记 22.5 - Variadic Templates 可变参数模板

参考书籍:
《C++高级编程》(第4版)》

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1.看代码粗学.

代码:

#include <iostream>
#include <bitset>

void print(){/*不执行任何操作。*/}

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

int main() {
    print(10.04, "hello", std::bitset<16>(1124), 629);
    return 0;
}

运行结果:

… 就是一个所谓的pack(包)
用于template parameters，就是template parameters pack(模板参数包)
用于function parameter types，就是function parameter types pack(函数参数类型包)
用于function parameters，就是function parameters pack(函数参数类型包)

sizeof… 运算符
查询形参包中的元素数量。
语法;：sizeof…( 形参包 ) (C++11 起)
解释：返回形参包中的元素数量。

2.细节：

普通模板只可采取固定数量的模板参数。可变参数模板(variadic template)可接收可变数目的模板参数。例如，下面的代码定义了一个模板，它可以接收任何数目的模板参数，使用称为Types的参数(parameter pack)：

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

注意：
typename之后的三个点并非错误。这是为可变参数模板定义参数包的语法。参数包可以接收可变数目的参数。在三个点的前后允许添加空格。

可用任何数量的类型实例化MyVariadicTemplalte，例如：

MyVariadicTemplate<int> instance1;
MyVariadicTemplate<std::string, double, std::list<int>> instance2;

甚至可用零个模板参数实例化MyVariadicTemplalte：

MyVariadicTemplate<> instance3;

为避免用零个模板参数实例化可变参数模板，可以像下面这样编写模板:

template<typename T1,typename... Types>
class MyVariadicTemplate {};

有了这个定义后，试图通过零个模板参数实例化MyVariadicTemplate会导致编译错误。例如，JetBrains CLion会给出如下错误:

//Error: wrong number of template arguments (0, should be at least 1) 

不能直接遍历传给可变参数模板的不同参数。唯一方法是借助模板递归的帮助。下面通过两个例子来说明如何使用可变参数模板。

2.1类型安全的变长参数列表.

可变参数模板允许创建类型安全的变长参数列表。下面的例子定义了一个可变参数processValues()，它允许以类型安全的方式接收不同类型的可变数目的参数。函数processValues() 会处理变长参数列表中的每个值，对每个参数执行 handleValue() 函数。这意味着必须对每种要处理的类型编写handleValue() 函数，例如下例中的int、double 和string：

#include <iostream>

using namespace std;

void handleValue(int value) {
    cout << "Integer: " << value << endl;
}

void handleValue(double value) {
    cout << "Double: " << value << endl;
}

void handleValue(string_view value) {
    cout << "String: " << value << endl;
}

void processValues(){/*不执行任何操作。*/}

template<typename T1, typename... Tn>
void processValues(T1 arg1, Tn... args) {
    handleValue(arg1);
    processValues(args...);
}

int main() {
    processValues(1, 2, 3.1415926, "test_string", 1.1f);
}

在前面的例子中，三点运算符“…”用了两次。这个运算符出现在3个地方，有两个不同的含义。首先用在模板参数列表中typename的后面以及函数参数列表中类型Tn的后面。在这两种情况下，它都表示参数包。参数包可接收可变数目的参数。

… 运算符的第二种用法是在函数体中参数名args的后面。这种情况下，它表示参数包扩展。 这个运算符会解包展开参数包，得到各个参数。它基本上提取出运算符左边的内容，为包中的每个模板参数重复该内容，并用逗号隔开。从前面的例子中取出以下行:

processValues(args...) ;

这一行将args参数包解包(或扩展)为不同的参数，通过逗号分隔参数，然后用这些展开的参数调用processValues() 函数。模板总是需要至少一个模板参数: T1。通过arg… 递归调用 processValues() 的结果是：每次调用都会少一个模板参数。

由于processValues() 函数的实现是递归的，因此需要采用一种方法来停止递归。为此，实现一个processValues() 函数，要求它接收零个参数。

测试结果：

这个例子生成的递归调用是：

    processValues(1, 2, 3.1415926, "test_string", 1.1f);
        handleValue(1);
        processValues(2, 3.1415926, "test_string", 1.1f);
            handleValue(2);
        processValues(3.1415926, "test_string", 1.1f);
            handleValue(3.1415926);
            processValues( "test_string", 1.1f);
                handleValue("test_string");
                processValues( 1.1f);
                    handleValue(1.1f);
                    processValues();

重要的是要记住，这种变长参数列表是完全类型安全的。processValues() 函数会根据实际类型自动调用正确的handleValue() 重载版本。C++中 也会像通常那样自动执行类型转换。例如，前面例子中1.1f的类型为float。processValues() 函数会调用handleValue(double value)， 因为从float到double的转换没有任何损失。然而，如果调用 processValues() 时带有某种类型的参数，而这种类型没有对应的handleValue() 函数，编译器会产生错误。

前面的实现存在一个小问题。由于这是一个递归的实现，因此每次递归调用processValues() 时都会复制参数。根据参数的类型，这种做法的代价可能会很高。你可能会认为，向processValues() 函数传递引用而不使用按值传递方法，就可以避免这种复制问题。遗憾的是，这样也无法通过字面量调用processValues() 了，因为不允许使用字面量引用，除非使用const引用。

为了在使用非const引用的同时也能使用字面量值，可使用转发引用(forwarding references)。以下实现使用了转发引用T&&，还使用st::forward() 完美转发所有”意味着，如果把 rvalue传递给processValues()，就将它作为rvalue引用转发;如果把lvalue或Ivalue引用传递给processValues()，就将它作为lvalue引用转发。

void processValues(){/*不执行任何操作。*/}

template<typename T1, typename... Tn>
void processValues(T1&& arg1, Tn&&... args) {
    handleValue(std::forward<T1>(arg1));
    processValues(std::forward<Tn>(args)...);
}

std::forward通常是用于完美转发的，它会将输入的参数原封不动地传递到下一个函数中，这个“原封不动”指的是，如果输入的参数是左值，那么传递给下一个函数的参数的也是左值；如果输入的参数是右值，那么传递给下一个函数的参数的也是右值。

有一行代码需要做进一步解释：

processValues(std::forward<Tn>(args)...);

“ … ”运算用于解开参数包，它在参数包中的每个参数上使用std::forward用逗号把它们隔开。例如，假设args是一个参数包，有三个参数(a1、a2 和 a3),分别对应三种类型(A1、A2 和 A3)。扩展后的调用如下:

processValues(std::forward<Al>(a1),
        std::forward<A2> (a2),
        std:: forward<A3> (a3)) ;

在使用了参数包的函数体中，可通过以下方法获得参数包中参数的个数:

int numOfArgs = sizeof... (args) ;

一个使用变长参数模板的实际例子是编写一个类似于 printf() 版本的安全且类型安全的函数模板。这是实践变长参数模板的一次不错练习。

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