第18 章探讨 C++新标准.可变参数模板,模板和函数参数包,展开参数包

第18 章探讨 C++新标准.可变参数模板,模板和函数参数包,展开参数包

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18.6 可变参数模板

可变参数模板(variadic template)让您能够创建这样的模板函数和模板类，即可接受可变数量的参数。这里介绍可变参数模板函数。例如，假设要编写一个函数，它可接受任意数量的参数，参数的类型只需是cout能够显示的即可，并将参数显示为用逗号分隔的列表。请看下面的代码:

int n = 14;
double x=2.71828;
std::string mr="Mr.String objects!";
show list(n，x);
show list(x*x，"!，7:mr);

这里的目标是，定义show list()，让上述代码能够通过编译并生成如下输出:
14，2.71828
7.38905，!，7，Mr.String objects!
要创建可变参数模板，需要理解几个要点:

• 模板参数包(parameterpack);
• 函数参数包;
• 展开(unpack)参数包;
• 递归。

18.6.1 模板和函数参数包

为理解参数包的工作原理，首先来看一个简单的模板函数，它显示一个只有一项的列表:

template<typename T>
void show list0(T value)
std::cout << value s，";

在上述定义中，有两个参数列表。模板参数列表只包含T，而函数参数列表只包含 value。下面的函数调用将模板参数列表中的T设置为double，将函数参数列表中的 value 设置为 2.15:

show list0(2.15);

C++11提供了一个用省略号表示的元运算符(meta-operator)，让您能够声明表示模板参数包的标识符,模板参数包基本上是一个类型列表。同样，它还让您能够声明表示函数参数包的标识符，而函数参数包基本上是一个值列表。其语法如下:

// Argsis a template parameter pack
template<typename...Args>
void show list1(Args... args)// args is a function parameter pack

其中，Args是一个模板参数包，而 args是一个函数参数包。与其他参数名一样，可将这些参数包的名称指定为任何符合C++标识符规则的名称。Args和T的差别在于，T与一种类型匹配，而 Args 与任意数量(包括零)的类型匹配。请看下面的函数调用:

show listl('S'，80，"sweet"，4.5);

在这种情况下，参数包 Args 包含与函数调用中的参数匹配的类型:char、int、constchar *和 double.下面的代码指出 value 的类型为
T:

void show listo(T value)

同样，下面的代码指出 args的类型为Args:

void show list1(Args... args)// args is a function parameter pack

更准确地说，这意味着函数参数包 args包含的值列表与模板参数包Args包含的类型列表匹配–无论是类型还是数量。在上面的示例中，args包含值’S’、80、“sweet”和 4.5。这样，可变参数模板 show listl()与下面的函数调用都匹配:

show list1();
show list1(99);
show list1(88.5，"cat");
show list1(2,4,6,8,"who do we",std::string("appreciate));

就最后一个函数调用而言，模板参数包 Args包含类型 int、int、int、int、const char*和std:string，而函数参数包 args 包含值 2、4、6、8、“'who do we”和 std::string(“appreciate”)。

18.6.2 展开参数包

但函数如何访问这些包的内容呢?索引功能在这里不适用，即您不能使用 Args[2]来访问包中的第三个类型。相反，可将省略号放在函数参数包名的右边，将参数包展开。例如，请看下述有缺陷的代码:

template<typename...Args>/Args is a template parameter packvoid show listl(Args... args)// args is a function parameter pack
show listl(args...);//passes unpacked args to show list1()

这是什么意思呢?为何说它存在缺陷?假设有如下函数调用:

show list1(5，'0.5);

这将把5、'和0.5封装到args中。在该函数内部，下面的调用:

show listl(args...);

将展开成如下所示:

show list1(5,'L',0.5);

也就是说，args 被替换为三给存储在 ags中的值。因此，表示法 arg…展开为一个函数参数列表。不幸的是，该函数调用与原始函数调用相同，因此它将使用相同的参数不断调用自己，导致无限递归(这存在缺陷)。

18.6.3 在可变参数模板函数中使用递归

虽然前面的递归让 show listl()成为有用函数的希望破灭，但正确使用递归为访问参数包的内容提供了解决方案。这里的核心理念是，将函数参数包展开，对列表中的第一项进行处理，再将余下的内容传递给递归调用，以此类推，直到列表为空。与常规递归一样，确保递归将终止很重要。这里的技巧是将模板头改为如下所示:

templatectypename T，typename...Args>
void show list3(T value, Args... args)

对于上述定义，show list3()的第一个实参决定了T和 value 的值，而其他实参决定了 Args 和 args 的值。这让函数能够对 value进行处理，如显示它。然后，可递归调用show list3()，并以 args…的方式将其他实参传递给它。每次递归调用都将显示一个值，并传递缩短了的列表，直到列表为空为止。程序清单18.9提供了一种实现，它虽然不完美，但演示了这种技巧。

程序清单18.9 variadic1.cpp

//variadic1.cpp -- using recursion to unpack a parameter pack
#include <iostream>
#include <string>
// definition for 0 parameters -- terminating call
void show_list3() {}

// definition for 1 or more parameters
template<typename T, typename... Args>
void show_list3( T value, Args... args)
{
    std::cout << value << ", ";
    show_list3(args...); 
}

int main()
{
    int n = 14;
    double x = 2.71828;
    std::string mr = "Mr. String objects!";
    show_list3(n, x);
    show_list3(x*x, '!', 7, mr);
    return 0;
}

1.程序说明

请看下面的函数调用:

show list3(x*x，"!"，7，mr);

第一个实参导致T为 double，value为x*x。其他三种类型(char、int和std::string)将放入 Args 包中,而其他三个值('!’、7和mr)将放入 args 包中。
接下来，函数 show list3()使用cout显示 value(大约为7.38905)和字符串“，”。这完成了显示列表中第一项的工作。
接下来是下面的调用:

show list3(args...)

考虑到args…的展开作用，这与如下代码等价:

show list3("!"，7，mr);

前面说过，列表将每次减少一项。这次T和value分别为char和"!’，而余下的两种类型和两个值分别被包装到 Args和 args中，下次递归调用将处理这些缩小了的包。最后，当 args 为空时，将调用不接受任何参数的show list3()，导致处理结束。
程序清单18.9中两个函数调用的输出如下:
14，2.71828，7.38905，!，7，Mr.String objects!，

2.改进

可对 show_list3()做两方面的改进。当前，该函数在列表的每项后面显示一个逗号，但如果能省去最后一项后面的逗号就好了。为此，可添加一个处理一项的模板，并让其行为与通用模板稍有不同:

//definition for i parameter
template<typename T>
void show iist3(T value)
std::cout << value << n';

这样，当 args 包缩短到只有一项时，将调用这个版本，而它打印换行符而不是逗号。另外，由于没有递归调用 show list3()，它也将终止递归。
另一个可改进的地方是，当前的版本按值传递一切。对于这里使用的简单类型来说，这没问题，但对于cout 可打印的大型类来说，这样做的效率很低。在可变参数模板中，可指定展开模式(pattem)。为此可将下述代码:

show list3(Args... args);

替换为如下代码:

show list3(const Argsk... args);

这将对每个函数参数应用模式const&。这样，最后分析的参数将不是std::stringmr，而是 conststd::string& mr.
程序清单18.10包含这两项修改。

程序清单 18.10 variadic2.cpp

// variadic2.cpp
#include <iostream>
#include <string>

// definition for 0 parameters
void show_list() {}

// definition for 1 parameter
template<typename T>
void show_list(const T& value)
{
    std::cout << value << '\n';
}

// definition for 2 or more parameters
template<typename T, typename... Args>
void show_list(const T& value, const Args&... args)
{
    std::cout << value << ", ";
    show_list(args...); 
}

int main()
{
    int n = 14;
    double x = 2.71828;
    std::string mr = "Mr. String objects!";
    show_list(n, x);
    show_list(x*x, '!', 7, mr);
    return 0;
}