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C++11可变参数模版实例详解

C++11引入可变参数模板,使函数模板能接受任意数量、任意类型的参数。定义时用class...或typename...表示类型包,Args...args表示形参包,并通过sizeof...获取参数个数,极大增强了模板的通用性与灵活性。

本文目录

    前言

    说明一下,这篇专题是复习用的,比较适合已经学过C++的同学,用来巩固可变参数模板这块内容。

    一、可变模版参数

    1.1. 可变参数模版的概念

    可变参数模板是C++11引入的一个新特性,它让参数的高度泛化成为可能——我们终于可以创建那些能接受可变参数的函数模板和类模板了。

    • 在C++11之前,不管是类模板还是函数模板,里面的模板参数个数都是固定的。由于可变参数模板本身比较抽象,用起来确实需要一些技巧。
    • 其实在C++11之前,C++也有可变参数的概念,比如printf函数就能接收任意多个参数。但要注意,那是函数参数的可变参数,并不是模板的可变参数。

    注:这篇只讲函数模板的可变参数,类模板的不涉及。

    1.2. 可变参数模版的定义方法

    函数的可变参数模板定义起来其实很直观,看下面这个格式:

    template
    返回类型 函数名(Args...args)
    {
        // 函数体
    }

    举个例子:

    template
    void ShowList(Args... args)
    {}

    注意这里的省略号:在模板参数列表中,class... 或 typename... 表示后面跟着的是一个类型包,可以匹配0个或多个类型;在函数参数列表中,类型名后面跟 ... 表示后面跟着的是一个形参对象包,同样可以匹配0个或多个对象。另外,函数参数包可以用左值引用或右值引用表示,每个参数实例化时都会遵循引用折叠规则。

    这样一来,调用ShowList函数时就可以传入任意多个参数了,而且这些参数的类型可以各不相同。比如:

    int main()
    {
    	ShowList();
    	ShowList(1);
    	ShowList(1,'A');
    	ShowList(1,'A',string("hello"));
    	return 0;
    }

    我们还可以在函数模板中通过sizeof...来获取参数包中参数的个数:

    template
    void ShowList(Args... args)
    {
    	cout << sizeof...(args) << endl;
    }
    int main()
    {
    	ShowList();							// 0		
    	ShowList(1);						// 1
    	ShowList(1,'A');					// 2
    	ShowList(1,'A',string("hello"));	// 3
    	return 0;
    }

    但是有一个关键问题:我们没法直接通过下标来获取参数包中的每个参数,只能通过展开参数包的方式来拿到它们。这也是可变参数模板最大的特点和难点所在。

    它的本质其实有两种理解方式:

    1. 结合引用折叠规则,编译器会实例化出下面这些函数:

    void ShowList();
    void ShowList(int arg1);
    void ShowList(int arg1,char arg2);
    void ShowList(int arg1,char arg2,string arg3);

    2. 更本质地看,生成的是下面的模板:

    void ShowList();
    template
    void ShowList(T1 arg1);
    template
    void ShowList(T1 arg1,T2 arg2);
    template
    void ShowList(T1 arg1, T2 arg2,T3 arg3);

    需要特别强调的是:语法并不支持用 args[i] 的方式来获取参数包中的参数。下面的写法是错误的:

    template
    void ShowList(Args... args)
    {
    	for (int i = 0; i < sizeof...(args); i++)
    	{
    		cout << args[i] << " ";
    	}
    	cout << endl;
    }

    所以,要获取参数包中的各个参数,只能通过展开参数包的方式来实现。常用的展开方式有两种:递归展开和逗号表达式展开。

    1.3. 参数包的展开方式

    1.3.1. 递归展开参数包

    递归展开的核心思路是这样的:

    • 给函数模板多增加一个模板参数,这样就能从参数包中分离出第一个参数。
    • 在函数模板内部递归调用自身,传入剩下的参数包。
    • 这样一层层递归下去,每次分离出一个参数,直到参数包被取完。

    比如我们想打印调用函数时传入的各个参数,可以这样写:

    //展开函数
    template
    void ShowList(T value, Args... args)
    {
    	cout << value << " "; //打印分离出的第一个参数
    	ShowList(args...);    //递归调用,将参数包继续向下传
    }
    

    接下来要解决的就是:递归怎么停下来?

    编写无参的递归终止函数

    我们可以再写一个无参的同名函数作为递归终止条件:

    //递归终止函数
    void ShowList()
    {
    	cout << endl;
    }
    //展开函数
    template
    void ShowList(T value, Args... args)
    {
    	cout << value << " "; //打印分离出的第一个参数
    	ShowList(args...);    //递归调用,将参数包继续向下传
    }
    int main()
    {
    	ShowList();							
    	ShowList(1);						
    	ShowList(1, 'A');					
    	ShowList(1, 'A', string("hello"));	
    	return 0;
    }

    当参数包中的参数个数为0时,递归调用就会匹配到那个无参的终止函数,递归就结束了。

    当然,也可以换一种写法,把ShowList和Print分开来:

    void ShowList()
    {
    	cout << endl;
    } 
    template 
    void ShowList(T x, Args... args)
    {
    	cout << x << " ";
    	ShowList(args...);
    } 
    // 编译时递归推导解析参数
    template 
    void Print(Args... args)
    {
    	ShowList(args...);
    }
    int main()
    {
    	Print(1);
    	Print(1, 'A');
    	Print(1, 'A', string("hello"));
    	return 0;
    }

    1.3.2. 逗号表达式展开参数包

    1. 通过列表获取参数包中的参数

    如果参数包中所有参数的类型都是整型,那就可以直接把这个参数包放到一个列表里,用来初始化一个整型数组。这样参数包中的参数就被放进数组里了:

    template
    void Print(Args...args)
    {
    	int arr[] = { args...};
    	for (auto e : arr)
    	{
    		cout << e << " ";
    	}
    	cout << endl;
    }
    int main()
    {
    	Print(1);
    	Print(1,2);
    	Print(1,2,3);
    	return 0;
    }

    但C++不像Python这类语言——C++要求容器里存储的数据类型必须一致。所以如果这么写,调用ShowList时传入的参数就只能是整型,而且还不能传0个参数,因为数组大小不能为0。要解决这个问题,就得借助逗号表达式。

    2. 通过逗号表达式展开参数包

    虽然不能用不同类型的参数去初始化整型数组,但逗号表达式可以帮上忙。

    • 逗号表达式会从左到右依次计算各个表达式,然后取最后一个表达式的值作为整个表达式的结果。
    • 我们把逗号表达式的最后一个表达式设为一个整型值,确保它返回的是一个整型。
    • 把处理每个参数的动作封装成一个函数,并将这个函数的调用作为逗号表达式的第一个表达式。

    这样,在执行逗号表达式时,会先调用那个处理函数来处理对应的参数,然后用最后一个整型值去初始化整型数组。比如:

    template
    const T& GetArg(const T& x)
    {
    	cout << x << " ";
    	return x;
    }
    template
    void Arguments(Args... args)
    {}
    template
    void Print(Args... args)
    {
    	Arguments(GetArg(args)...);
    }
    int main()
    {
    	Print(1, string("2345"), 1.1);
    	return 0;
    }

    它的本质其实是:编译器在编译时会实例化出下面这样的函数:

    template
    const T& GetArg(const T& x)
    {
    	cout << x << " ";
    	return x;
    }
    template
    void Arguments(Args... args)
    {}
    template
    void Print(int x,string y,double z)
    {
    	Arguments(GetArg(x),GetArg(y),GetArg(z));
    }
    int main()
    {
    	Print(1, string("2345"), 1.1);
    	return 0;
    }

    1.4. STL容器中的emplace相关接口函数

    C++11标准给STL中的容器新增了emplace版本的插入接口。比如list容器的push_front、push_back和insert,都增加了对应的emplace_front、emplace_back和emplace函数。如下所示:

    C++11可变参数模版实例详解

    C++11可变参数模版实例详解

    注意: emplace系列接口的可变模板参数类型都带有“&&”,这表示的是万能引用,不是右值引用。

    emplace系列接口的使用方式

    emplace系列接口的使用方式和容器原有的插入接口有些类似,但也有一些不一样的地方。

    以list容器的emplace_back和push_back为例:

    • 调用push_back插入元素时,可以传入左值对象或者右值对象,也可以使用列表进行初始化。
    • 调用emplace_back插入元素时,同样可以传入左值对象或者右值对象,但不能使用列表进行初始化。
    • 除此之外,emplace系列接口最大的特点就是:插入元素时可以传入用于构造元素的参数包。

    emplace系列接口的意义

    由于emplace系列接口的可变模板参数类型都是万能引用,所以既可以接收左值对象,也可以接收右值对象,还能接收参数包。

    • 如果调用emplace系列接口时传入的是左值对象,那么首先得先调用构造函数实例化出一个左值对象,然后在定位new表达式调用构造函数对空间进行初始化时,会匹配到拷贝构造函数。
    • 如果传入的是右值对象,那么会先调用构造函数实例化出一个右值对象,然后定位new表达式调用构造函数时,会匹配到移动构造函数。
    • 如果传入的是参数包,那就可以直接调用函数进行插入,最终在定位new表达式调用构造函数初始化空间时,匹配到的是构造函数。

    总结一下:

    • 传入左值对象:构造函数 + 拷贝构造函数
    • 传入右值对象:构造函数 + 移动构造函数
    • 传入参数包:只需要调用构造函数

    当然,这里有一个前提:容器中存储的元素对应的类,是一个需要深拷贝的类,并且该类实现了移动构造函数。否则,调用emplace系列接口时,传入左值对象和传入右值对象的效果是一样的——都需要一次构造函数加一次拷贝构造函数。

    实际上,emplace系列接口的一部分功能和容器原有的插入接口是重叠的。因为容器原有的push_back、push_front和insert函数也提供了右值引用版本的接口。如果调用这些接口时传入的是右值对象,最终也会调用对应的移动构造函数来移动资源。

    emplace接口的意义:

    • emplace系列接口最大的特点是支持传入参数包,用这些参数包直接构造出对象,这样就能减少一次拷贝。这也是为什么有人说emplace系列接口更高效的原因。
    • 但emplace系列接口并不是在所有场景下都比原有的插入接口高效。如果传入的是左值对象或右值对象,效率和原有的插入接口是一样的。
    • emplace系列接口真正高效的情况是传入参数包的时候——直接通过参数包构造出对象,避免了中途的一次拷贝。

    验证

    要验证上面的说法,需要一个深拷贝的类。下面模拟实现了一个简化版的string类,只写了我们需要的成员函数:

    namespace xxhh
    {
    	class string
    	{
    	public:
    		//构造函数
    		string(const char* str = "")
    		{
    			cout << "string(const char* str) -- 构造函数" << endl;
    			_size = strlen(str); //初始时,字符串大小设置为字符串长度
    			_capacity = _size; //初始时,字符串容量设置为字符串长度
    			_str = new char[_capacity + 1]; //为存储字符串开辟空间(多开一个用于存放'\0')
    			strcpy(_str, str); //将C字符串拷贝到已开好的空间
    		}
    		//交换两个对象的数据
    		void swap(string& s)
    		{
    			//调用库里的swap
    			::swap(_str, s._str); //交换两个对象的C字符串
    			::swap(_size, s._size); //交换两个对象的大小
    			::swap(_capacity, s._capacity); //交换两个对象的容量
    		}
    		//拷贝构造函数(现代写法)
    		string(const string& s)
    			:_str(nullptr)
    			, _size(0)
    			, _capacity(0)
    		{
    			cout << "string(const string& s) -- 拷贝构造" << endl;
    			string tmp(s._str); //调用构造函数,构造出一个C字符串为s._str的对象
    			swap(tmp); //交换这两个对象
    		}
    		//移动构造
    		string(string&& s)
    			:_str(nullptr)
    			, _size(0)
    			, _capacity(0)
    		{
    			cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;
    			swap(s);
    		}
    		//拷贝赋值函数(现代写法)
    		string& operator=(const string& s)
    		{
    			cout << "string& operator=(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
    			string tmp(s); //用s拷贝构造出对象tmp
    			swap(tmp); //交换这两个对象
    			return *this; //返回左值(支持连续赋值)
    		}
    		//移动赋值
    		string& operator=(string&& s)
    		{
    			cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;
    			swap(s);
    			return *this;
    		}
    		//析构函数
    		~string()
    		{
    			//delete[] _str;  //释放_str指向的空间
    			_str = nullptr; //及时置空,防止非法访问
    			_size = 0;      //大小置0
    			_capacity = 0;  //容量置0
    		}
    	private:
    		char* _str;
    		size_t _size;
    		size_t _capacity;
    	};
    }

    因为我们在string的构造函数、拷贝构造函数和移动构造函数中都打印了提示语句,所以可以通过控制台输出来判断这些函数有没有被调用。

    下面用一个容器来存储这个模拟的string,并以不同的传参形式调用emplace系列函数:

    #include
    int main()
    {
    	list> mylist;
    	pair kv(1, "one");
    	mylist.emplace_back(kv);                              //传左值
    	cout << endl;
    	mylist.emplace_back(pair(2, "two")); //传右值
    	cout << endl;
    	mylist.emplace_back(3, "three");                      //传参数包
    	return 0;
    }

    C++11可变参数模版实例详解

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