C++可变参数模板深入深剖

目录

• 概念
• 模板定义
• 参数包展开
• 递归函开
• 逗号表达式展开
• emplace
• 使用方法
• 工作原理
• 意义
• 总结

概念

C++11 新增一员猛将就是可变参数模板，他可以允许可变参数的函数模板和类模板来作为参数，使得参数高度泛化。

在 C++11 之前类模板和函数模板中只能包含固定数量模板参数，而且也有可变参数的概念，比如 printf 函数就能够接收任意多个参数，但这是函数参数的可变参数，并不是模板的可变参数。可变模板参数无疑是一个巨大的改进，但由于可变参数模板比较抽象，因此使用起来并不会太简单。

模板定义

函数的可变参数模板定义方式如下：

template<class …Args>
返回类型 函数名(Args… args)
{
  //函数体
}

比如：

template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{}

注意这里的书写格式，模板参数Args前面有省略号，代表它是一个可变模板参数， 我们把带省略号的参数称为参数包 \color{red} {我们把带省略号的参数称为参数包} 我们把带省略号的参数称为参数包，参数包里面可以包含0到 N(N≥0) 个模板参数， 而 a r g s 则是一个函数形参参数包 \color{red} {而 args 则是一个函数形参参数包} 而args则是一个函数形参参数包。

模板参数包 Args 和函数形参参数包 args 的名字可以任意指定，并不是说必须叫做 Args 和 args 。

那么现在函数传参就可以实不同类型了：

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

然后在函数模板中通过sizeof计算参数包中参数的个数：

template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	cout << sizeof...(args) << endl; //获取参数包中参数的个数
}

现在最大的难点就是我们无法直接获取参数包中的每个参数，语法并不支持使用 args[i] 的方式来获取参数包中的参数，只能通过展开参数包的方式来获取，这是使用可变参数模板的一个主要特点。

template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	//错误示例:
	for (int i = 0; i < sizeof...(args); i++)
	{
		cout << args[i] << " "; //打印参数包中的每个参数
	}
	cout << endl;
}

参数包展开

递归函开

该方法大概分为三步：

• 给函数模板增加一个模板参数，从接收的参数包中分离出一个参数出来
• 在函数模板中递归调用该函数模板，调用时传入剩下的参数包
• 继续递归，直到参数包中所有参数都被取出来

比如：

template<class T, class ...Args>
void ShowList(T value, Args... args)
{
	cout << value << " "; //打印分离出的第一个参数
	ShowList(args...);    //继续递归调用
}

那么最后还有一个问题就是：递归展开该如何终止？

方法其实挺简单就是写一个无参的递归终止函数，该函数的函数名与展开函数的函数名相同，如果传入的参数包中参数个数是 0，那么就会匹配到这个无参递归终止函数，这样就结束了递归：

//递归终止函数
void ShowList()
{
	cout << endl;
}
//展开函数
template<class T, class ...Args>
void ShowList(T value, Args... args)
{
	cout << value << " "; //打印分离出的第一个参数
	ShowList(args...);    //继续递归调用
}

但是外部调用 ShowList 时不会传入参数，就会直接匹配到无参递归终止函数。而我们本意是想让外部调用 ShowList 函数时匹配到函数模板，并不是直接匹配递归终止函数。

因此我们可以将展开函数和递归调用函数的函数名改为 ShowListArg，然后重新编写一个 ShowList 函数模板，在该函数模板的函数体中要做的就是调用ShowListArg 的展开参数包 ：

void ShowListArg()
{
	cout << endl;
}
//展开函数
template<class T, class ...Args>
void ShowListArg(T value, Args... args)
{
	cout << value << " "; 
	ShowListArg(args...); //继续递归
}
//供外部调用的函数
template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	ShowListArg(args...);
}

这样无论外部调用时传入多少个参数，最终匹配到的都是同一个函数了，那么如何编写带参的递归终止函数呢

比如带一个参数的：

template<class T>
void ShowListArg(const T& t)
{
	cout << t << endl;
}
//展开函数
template<class T, class ...Args>
void ShowListArg(T value, Args... args)
{
	cout << value << " "; 
	ShowList(args...);    //继续递归
}
//供外部调用的函数
template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	ShowListArg(args...);
}

但该方法有一个缺陷，在调用 ShowList 函数时至少要传入一个参数，否则就会报错，因为此时无论是调用递归终止函数还是展开函数，都需要至少一个参数，那我们能不能先计算一下参数包中的参数个数呢？

答案是：No！可能你会觉得 sizeof 这里也可以直接计算参数个数，来康康 错误示范 \color{red} {错误示范} 错误示范：

template<class T, class ...Args>
void ShowList(T value, Args... args)
{
	cout << value << " "; //打印传入的第一个参数
	if (sizeof...(args) == 0)
	{
		return;
	}
	ShowList(args...);    //继续递归
}

首先函数模板并不能调用，函数模板需要在编译时根据传入的实参类型进行推演，生成对应的函数才能够被调用，而这个推演过程是在编译时进行的，当推演到参数包 args 中参数个数为 0 时，函数不会停下会继续推演完毕，这时就会继续传入 0 个参数时的 ShowList 函数，此时就会报错 ShowList 函数没有参数。

这里编写的 if 判断是运行时才跑的逻辑，也就是运行时逻辑，而函数模板的推演是一个编译时逻辑！

逗号表达式展开

我们知道数组可以通过列表进行初始化。如果参数包中各个参数类型都是整型，那么也可以把这个参数包放到列表中，初始化这个整型数组，此时参数包中参数就放到数组中了：

template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	int arr[] = { args... }; //列表初始化
	//打印参数包中的各个参数
	for (auto e : arr)
	{
		cout << e << " ";
	}
	cout << endl;
}

这样就可以传入多个参数了：

int main()
{
	ShowList(1);
	ShowList(1, 2);
	ShowList(1, 2, 3);
	return 0;
}

但 C++ 并不像 Python 一样激进敢秀，C++ 规定器中存储的数据类型是相同的，因此调用 ShowList 时传入的参数只能是整型，并且还不能传入 0 个参数，因为数组的大小不能为 0，因此还需要在此基础上借助逗号表达式来展开参数包

逗号表达式规则是会从左到右依次计算各个表达式，并将最后一个表达式的值作为返回值返回，我们将最后一个表达式设为整型值，确保最后返回的是一个整型。

将处理参数个数的动作封装成一个函数，将该函数作为逗号表达式的第一个表达式

template<class T>
void PrintArg(const T& t)
{
	cout << t << " ";
}
//展开函数
template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	int arr[] = { (PrintArg(args), 0)... }; //列表初始化+逗号表达式
	cout << endl;
}

我们这里要做的就是打印参数包中的各个参数，因此处理函数当中要做的就是将传入的参数进行打印即可

可变参数的省略号需要加在逗号表达式外面，表示需要先将逗号表达式展开，如果直接加在 args 后面，那么参数包将会被展开后全部传入 PrintArg ，代码中会展开成 {(PrintArg(arg1), 0), (PrintArg(arg2), 0), (PrintArg(arg3), 0), etc…}

//支持无参调用
void ShowList()
{
	cout << endl;
}
//处理函数
template<class T>
void PrintArg(const T& t)
{
	cout << t << " ";
}
//展开函数
template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	int arr[] = { (PrintArg(args), 0)... }; //列表初始化+逗号表达式
	cout << endl;
}

当然，我们也可以不使用逗号表达式，这里的问题是初始化整型数组时必须用整数，那我们可以将处理函数的返回值设为整型，然后用这个返回值去初始化整型数组也是可以的：

void ShowList()
{
	cout << endl;
}
//处理函数
template<class T>
int PrintArg(const T& t)//返回值为int类型
{
	cout << t << " ";
	return 0;
}
//展开函数
template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	int arr[] = { PrintArg(args)... }; //列表初始化
	cout << endl;
}

emplace

C++11 给 STL 容器增加 emplace 的插入接口，比如 list 容器的 push_front、push_back 和insert 函数，都有了对应的 emplace_front、emplace_back 和 emplace 函数：

这些emplace版本的插入接口支持模板的可变参数，比如list容器的emplace_back函数的声明如下：

emplace 接口的可变模板参数类型都带有KaTeX parse error: Expected '}', got '&' at position 14: \color{red} {&̲&} ，这个表示的是万能引用，而不是右值引用。

使用方法

emplace 接口使用方式与容器原有的插入接口使用方式类似，但又有一些不同之处，以 list 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，也可以传入左值对象或右值对象，但不可以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，插入元素可传入用于构造元素的参数包

int main()
{
	list<pair<int, string>> mylist;
	pair<int, string> kv(10, "111");
	mylist.push_back(kv);                              //左值
	mylist.push_back(pair<int, string>(20, "222"));    //右值
	mylist.push_back({ 30, "333" });                   //列表初始化

	mylist.emplace_back(kv);                           //左值
	mylist.emplace_back(pair<int, string>(40, "444")); //右值
	mylist.emplace_back(50, "555");                    //参数包
	return 0;
}

工作原理

emplace 接口先通过空间配置器为新结点获取一块内存空间，注意这里只会开辟空间，不会自动调用构造函数对这块空间进行初始化。

然后调用 allocator_traits::construct 函数对这块空间进行初始化，调用该函数会传入这块空间的地址和用户传入的参数，注意要完美转发；在 allocator_traits::construct 中会使用定位 new 表达式，显示调用构造函数对这块空间进行初始化，调用构造函数时会传入用户传入的参数，这里同样需要完美转发

最后将初始化好的新结点插入到对应的数据结构中，比如 list 就是将新结点插入到底层的双链表中

意义

emplace 接口的可变参数模板类型都是万能引用，因此既可以接收左值，也可以接收右值，还可以接收参数包

如果调用 emplace 接口时传入的是左值，首先需要先在此之前调用构造函数实例化出一个左值对象，最后使用定位 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

如果调用 emplace 接口时传入的是右值，那么就需要在此之前调用构造函数实例化出一个右值对象，最终在使用定位new表达式调用构造函数对空间进行初始化时，就会匹配到移动构造函数

如果调用 emplace 接口时传入的是参数包，就可以直接调用函数进行插入，并最终使用定位 new 表达式调用构造函数对空间进行初始化时，匹配到构造函数

一句话就是：

传入左值，调用构造函数+拷贝构造函数。
传入右值，调用构造函数+移动构造函数。
传入参数包，只需要调用构造函数

注意，这里前提是容器中存储的是一个需要深拷贝的类，并且该类实现了移动构造函数，否则传入左值和传入右值的效果是一样的，都会调用一次构造和一次拷贝构造

因为容器原有的 push_back、push_front 和 insert 也提供了右值引用的接口，所以 emplace 的部分功能和原有容器是重复的，如果调用时传入右值，那么最终也会调用对应的移动构造函数进行资源转移。

emplace 最大特点就是支持传入参数包，用这些参数包直接构造出对象，这样就能减少一次拷贝，这就是为什么有人说 emplace 系列接口更高效的原因

但 emplace 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，那么 emplace 系列接口的效率其实和原有的效率是一样的

emplace 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 \color{red} {直接通过参数包构造出对象，避免了中途的一次拷贝} 直接通过参数包构造出对象，避免了中途的一次拷贝

namespace cl
{
	class string
	{
	public:
		//构造函数
		string(const char* str = "")
		{
			cout << "string(const char* str) -- 构造函数" << endl;

			_size = strlen(str); 
			_capacity = _size; 
			_str = new char[_capacity + 1]; //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
		}
		//交换两个对象数据
		void swap(string& s)
		{
			std::swap(_str, s._str); //交换两个对象的C字符串
			std::swap(_size, s._size); //交换两个对象的大小
			std::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，构造一个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); 
			swap(tmp); //交换
			return *this; //返回左值
		}
		//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; //置空，防止非法访问
			_size = 0;    
			_capacity = 0; 
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
}

这里我们用模拟实现的 string 来验证 emplace 的机制：

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

结果如下：

我们自己实现的 string 的拷贝构造函数复用了他的拷贝函数，所以在调用 string 的拷贝构造的时候会紧跟一次拷贝函数的调用。

当然，如果想要更加完美的体现 emplace 的作用，这里存的是 char 类型，为了体现参数包的概念，可以将 list 中更换成 pair 类型对象，这里不赘述了，有兴趣的可自行实现。

总结

到此这篇关于C++可变参数模板的文章就介绍到这了,更多相关C++可变参数模板内容请搜索自由互联以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持自由互联！