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《C++ Primer Plus》第18章:探讨 C++ 新标准(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,即可接收可变数量的参数。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
7.3805, !, 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(parameter pack);
  • 函数参数包;
  • 展开(unpack)参数包;
  • 递归。

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 << ", ";
}

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++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:

template<typename...Args>		// Args is a template parameter pack
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_list1('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、const char * 和 double。

下面的代码指出 value 的类型为 T:

void show_list0(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_list1() 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”)。

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左边,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 pack
void show_list1(Args... args)	// args is a function parameter pack
{show_list1(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, 'L', 0.5);

这将把5、‘L’ 和 0.5 封装到 args 中。在该函数内部,下面的调用:

show_list1(5, 'L', 0.5);

将展开成如下所示:

show_list1(5, 'L', 0.5);

也就是说,args 被替换为三个存储在 args 中的值。因此,表示法 args… 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)。

在可变参数模板函数中使用递归

虽然前面的递归让 show_list1() 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:

template<typename 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。下面的程序提供了一种实现,它虽然不完美,但演示了这种技巧。

// 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。

    上面的程序的输出如下:

    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,但如果能省区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 1 parameter
    template<typename T>
    void show_list3(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(pattern)。为此,可将下述代码:

    show_list3(Args... args);
    

    替换为如下代码:

    show_list3(const Args&... 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::string mr,而是 const std::string & mr。

    下面的程序包含这两项修改。

    // 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;
    }
    

    该程序的输出如下:

    14, 2.71828
    7.38905, !, 7, Mr. String objects!
    

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