浅析C++可变参数模板的展开方式

前言

可变参数模板（variadic templates）是C++11新增的强大的特性之一，它对模板参数进行了高度泛化，能表示0到任意个数、任意类型的参数。相比C++98/03这些类模版和函数模版中只能含固定数量模版参数的“老古董”，可变模版参数无疑是一个巨大的进步。

如果是刚接触可变参数模板可能会觉得比较抽象，使用起来会不太顺手，使用可变参数模板时通常离不开模板参数的展开，所以本文来列举一些常用的模板展开方式，帮助我们来对可变参数模板有一个初步的了解。

可变参数模板的定义

可变参数模板和普通模板的定义类似，在写法上需要在 typename 或 class 后面带上省略号...，以下为一个常见的可变参数函数模板：

template <class... T>
void func(T... args)
{
    //...
}

上面这个函数模板的参数 args 前面有省略号，所以它就是一个被称为模板参数包（template parameter pack）的可变模版参数，它里面包含了0到N个模版参数，而我们是无法直接获取 args 中的每个参数的，只能通过展开参数包的方式来获取参数包中的每个参数，这也是本文要重点总结的内容。

参数包的展开

参数包展开的方式随着c++语言的发展也在与时俱进，我们以实现一个可变参格式化打印函数为例，列举一些常用的方式：

递归函数方式展开

#include <iostream>
void FormatPrint()
{
    std::cout << std::endl;
}
template <class T, class ...Args>
void FormatPrint(T first, Args... args)
{
   std::cout << "[" << first << "]";
   FormatPrint(args...);
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

这种递归展开的方式与递归函数的定义是一样的，需要递归出口和不断调用自身，仔细看看这个函数模板是不是都满足啦？递归出口就是这个无模板参数的 FormatPrint，并且在有参模板中一直在调用自身，递归调用的过程时这样的 FormatPrint(4,3,2,1) -> FormatPrint(3,2,1) -> FormatPrint(2,1) -> FormatPrint(1) -> FormatPrint()，输出内容如下：

>albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++11
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
[1][2][3][4]
[good][2][hello][4][110]

逗号表达式展开

#include <iostream>
template <class ...Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
   (void)std::initializer_list<int>{ (std::cout << "[" << args << "]", 0)... };
   std::cout << std::endl;
}

int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

这种方式用到了C++11的新特性初始化列表（Initializer lists）以及很传统的逗号表达式，我们知道逗号表达式的优先级最低，(a, b) 这个表达式的值就是 b，那么上述代码中(std::cout << "[" << args << "]", 0)这个表达式的值就是0，初始化列表保证其中的内容从左往右执行，args参数包会被逐步展开，表达式前的(void)是为了防止变量未使用的警告，运行过后我们就得到了一个N个元素为0的初始化列表，内容也被格式化输出了：

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++11
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
[1][2][3][4]
[good][2][hello][4][110]

说到这顺便提一下，可以使用sizeof...(args)得到参数包中参数个数。

enable_if方式展开

#include <iostream>
#include <tuple>
#include <type_traits>
template<std::size_t k = 0, typename tup>
typename std::enable_if<k == std::tuple_size<tup>::value>::type FormatTuple(const tup& t)
{
    std::cout << std::endl;
}
template<std::size_t k = 0, typename tup>
typename std::enable_if<k < std::tuple_size<tup>::value>::type FormatTuple(const tup& t){
    std::cout << "[" << std::get<k>(t) << "]";
    FormatTuple<k + 1>(t);
}
template<typename... Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
    FormatTuple(std::make_tuple(args...));
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

C++11的enable_if常用于构建需要根据不同的类型的条件实例化不同模板的时候。顾名思义，当满足条件时类型有效。可作为选择类型的小工具，其广泛的应用在 C++ 的模板元编程（meta programming）之中，利用的就是SFINAE原则，英文全称为Substitution failure is not an error，意思就是匹配失败不是错误，假如有一个特化会导致编译时错误，只要还有别的选择，那么就无视这个特化错误而去选择另外的实现，这里的特化概念不再展开，感兴趣可以自行了解，后续可以单独总结一下。

在上面的代码实现中，基本思路是先将可变模版参数转换为std::tuple，然后通过递增参数的索引来选择恰当的FormatTuple函数，当参数的索引小于tuple元素个数时，会不断取出当前索引位置的参数并输出，当参数索引等于总的参数个数时调用另一个模板重载函数终止递归，编译运行输入以下内容：

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++11
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
[1][2][3][4]
[good][2][hello][4][110]

折叠表达式展开（c++17）

#include <iostream>
template<typename... Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
    (std::cout << ... << args) << std::endl;
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

折叠表达式（Fold Expressions）是C++17新引进的语法特性，使用折叠表达式可以简化对C++11中引入的参数包的处理，可以在某些情况下避免使用递归，更加方便的展开参数，如上述代码中展示的这样可以方便的展开参数包，不过输出的内容和之前的有些不一样：

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++17
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
1234
good2hello4110

对比结果发现缺少了格式化的信息，需要以辅助函数的方式来格式化：

#include <iostream>
template<typename T>
string format(T t) {
    std::stringstream ss;
    ss << "[" << t << "]";
    return ss.str();
}
template<typename... Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
    (std::cout << ... << format(args)) << std::endl;
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

这次格式化内容就被加进来了：

albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ g++ testtemplate.cpp --std=c++17
albert@home-pc:/mnt/d/data/cpp/testtemplate$ ./a.out
[1][2][3][4]
[good][2][hello][4][110]

这样好像还是有点麻烦，我们可以把折叠表达式和逗号表达式组合使用，这样得到的代码就简单多啦，也能完成格式化输出的任务：

#include <iostream>
template<typename... Args>
void FormatPrint(Args... args)
{
    (std::cout << ... << (std::cout << "[" << args, "]")) << std::endl;
}
int main(void)
{
   FormatPrint(1, 2, 3, 4);
   FormatPrint("good", 2, "hello", 4, 110);
   return 0;
}

总结

Variadic templates 是C++11新增的强大的特性之一，它对模板参数进行了高度泛化Initializer lists 是C++11新加的特性，可以作为函数参数和返回值，长度不受限制比较方便Fold Expressions 是C++17新引进的语法特性，可以方便的展开可变参数模板的参数包可变参数模板的参数包在C++11的环境下，可以利用递归、逗号表达式、enable_if等方式进行展开

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