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C++11中的可变长模板参数

article 2024/11/15 11:17:26

一、引言

C++11 引入了变长模板（Variadic Templates），这是模板编程领域的一个重大改进，它允许模板参数的数量是可变的。这一特性极大地增强了模板的灵活性和表达能力，使得开发者能够编写更加通用和强大的代码。变长模板主要通过模板参数包（Template Parameter Packs）和模板函数包（Template Function Packs）来实现。

二、基本语法

2.1 模板参数包

模板参数包允许模板接受任意数量和类型的模板参数。在模板定义中，使用省略号（...）来指示参数包。参数包可以包含类型参数或值参数。

2.2 类型参数包

类型参数包用于模板类或模板函数中，表示可以接受任意数量的类型参数。

template<typename... Types>  
class Tuple {  
    // ...  
};  
  
// 使用示例  
Tuple<int, double, std::string> t;

在这个例子中，Tuple 类模板接受一个类型参数包 Types，它可以包含任意数量的类型。

2.3 值参数包

值参数包用于模板函数中，表示可以接受任意数量和类型的函数参数。

template<typename... Args>  
void print(Args... args) {  
    // 使用递归模板函数或初始化列表展开参数包  
    // 这里仅作为示例，实际实现需要更复杂的逻辑  
}  
  
// 使用示例  
print(1, 3.14, "Hello");

三、模板参数的展开

方式1：递归展开

#include <iostream>

using namespace std;

// 特例函数，只有一个参数时调用
template <typename T>
void print(const T& item){
    cout << '[' << item << ']' << endl;
}

// 通用函数
template <typename T, typename... Args>
void print(const T& item, Args... args){
    cout << '[' << item << ']';
    print(args...);        // 递归调用
}

int main(){
    print(1, 2.5, "Hello", 'Z');  // 输出：[1][2.5][Hello][Z]
    
    return 0;
}

展开过程：①：print(1, 2.5, "Hello", 'Z') 匹配通用函数，输出 [1] ，再调用 print(2.5, "Hello", 'Z')

②：print(2.5, "Hello", 'Z') 匹配通用函数，输出 [2.5] ，再调用 print("Hello", 'Z')

③：print("Hello", 'Z') 匹配通用函数，输出 [Hello] ，再调用 print( 'Z')

④：print('Z') 匹配特例函数，输出 [Z] ，结束递归。

方式2：初始化列表展开

#include <iostream>

using namespace std;

template <typename... Args>
void print(Args... args){
    (void)initializer_list<int> {
        (cout << '[' << args << ']', 0)...
    };
    
    cout << endl;
}

int main(){
    print(1, 2.5, "Hello", 'Z');  // 输出：[1][2.5][Hello][Z]
    
    return 0;
}

展开过程：

initializer_list<int>用于初始化一个int类型的列表，(cout << '[' << args << ']', 0)是一个逗号表达式，逗号表达式的优先级最低，其表达式的值为逗号右侧表达式的值，最终得到一个数量和args相同且值都为0的int类型列表，并且将模板参数展开。（void）是为了不产生变量未使用的警告。

方式3：enable_if表达式结合tuple类型展开

#include <iostream>
#include <tuple>
#include <type_traits>

using namespace std;

// 特例函数：当 k 的值和t中元素个数相等时，结束递归
template <size_t k = 0, typename Tuple>
typename enable_if<k == tuple_size<Tuple>::value>::type
format_tuple(const Tuple& t){    
    cout << endl;
}

// 通用函数：当 k 的值小于t中元素个数时，递归调用，输出tuple中的下一个元素
template <size_t k = 0, typename Tuple>
typename enable_if<k < tuple_size<Tuple>::value>::type
format_tuple(const Tuple& t){
    cout << '[' << get<k>(t) << ']';
    
    format_tuple<k + 1>(t);
}

template <typename... Args>
void print(Args... args){
	format_tuple(make_tuple(args...));
}

int main(){
    print(1, 2.5, "Hello", 'Z');  // 输出：[1][2.5][Hello][Z]
    
    return 0;
}

展开过程：①：print(1, 2.5, "Hello", 'Z') 调用format_tuple<0>( tuple(1, 2.5, "Hello", 'Z') )，

因为k为0，小于元素的长度4，匹配通用函数，输出[1]，然后递归调用

format_tuple<1>( tuple(1, 2.5, "Hello", 'Z') )

②：format_tuple<1>( tuple(1, 2.5, "Hello", 'Z') )，1 < 4 输出 [2.5] ，再调用

format_tuple<2>( tuple(1, 2.5, "Hello", 'Z') )

③：format_tuple<2>( tuple(1, 2.5, "Hello", 'Z') )，2 < 4 输出 [Hello] ，再调用

format_tuple<3>( tuple(1, 2.5, "Hello", 'Z') )

④：format_tuple<3>( tuple(1, 2.5, "Hello", 'Z') )，3 < 4 输出 [Z] ，再调用

format_tuple<4>( tuple(1, 2.5, "Hello", 'Z') )

⑤：format_tuple<4>( tuple(1, 2.5, "Hello", 'Z') )，4 == 4，输出endl ，递归结束。