C++ -- variadic template (可变参数模板)

作者:唐风

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C++11 语言核心的改进中,最为关注的有 rvalue reference (这里有一篇拙作),lambda,variadic template。rvalue 规则稍微复杂,但一旦理解和记住了,应用上就没有什么困难。lambda 其实是一个“很自然”的语言设施,除了语法稍显诡异之外,习惯了就能马上用上,而且是能广泛用上的好东西。variadic template 这个新特性不像前两者,它本身的语法规则并不复杂,但是应用的时候确比较费脑子,好在这个技术主要是用在库的实现中,一个实现得好的库,并不会让我们对实现的细节作任何的要求

variadic template 特性本身是一个很自然的需求,它完善了 C++ 的模板设计手段。原来的模板参数可以使类和函数的参数类型“任意化”,如果再加上“参数个数的任意化”,那么在参数方面的设计手段就基本上齐备了,有了variadic template 显然可以让设计出来的函数或是类有更大的复用性。因为有很多处理都是与“处理对象的个数”关系不大的,比如说打屏(printf),比如说比较大小(max,min),比如函数绑定子(bind,function要对应各种可能的函数就要能“任意”参数个数和类型)。如果不能对应任意个参数,那么就总会有人无法重用已有的实现,而不得不再重复地写一个自己需要的处理,而共通库的实现者为了尽可能地让自己写的类(函数)能复用在更多的场景,也不得不重复地写很多的代码或是用诡异的技巧,宏之类的去实现有限个“任意参数”的对应。(像TR1中的 bind 等)。

一、基本语法

声明一个带有可变参数个数的模板的语法如下所示:

  1. template<typename ...Element> class tuple;
  2.  
  3. tuple<int, string> a;  // use it like this

在模板参数 Element 左边出现省略号 ... ,就是表示 Element 是一个模板参数包(template type parameter pack)。parameter pack(参数包)是新引入 C++ 中的概念,比如在这个例子中,Element 表示是一连串任意的参数打成的一个包。比如第2行中,Element 就是 int, string这个参数的合集。不仅“类型”的模板参数(也就是typename定义的参数)可以这样做,非类型的模板参数也可以这样做。比如下面这个例子:

  1. template<typename T, unsigned PrimaryDimesion, unsigned...Dimesions>
  2. class array { /**/ };
  3.  
  4. array<double, 3, 3> rotation_matrix; //3x3 ratiation matrix

现在我们知道parameter pack了,怎么在程序中真正具体地去处理打包进来的“任意个数”的参数呢?我原来以为,编译器会提供一些像get_param<1>(Element) 之类的内建的“参数抽取函数”给程序员使用结果不是!!看来我的思路还是太“过程式了”。其实 C++11 用的是 unpack 和类似函数重载似的“模板特化”来抽取参数的。这是应用 variadic tempate 最“坑爹”的部分,因为它要求对“递归”和“人肉代码展开”有一定的功力啊。还是看例子吧:

  1. template<typename... Elements> class tuple;
  2. template<typename Head, typename... Tail>
  3. class tuple<Head, Tail...> : private tuple<Tail...> {
  4.     Head head;
  5. public:
  6.     /* implementation */
  7. };
  8. template<>
  9. class tuple<> {
  10.     /* zero-tuple implementation */
  11. };

第1行声明了一个可以对应任意参数的tuple类,第2行到7行声明了这个类的一个部分特化,注意,这就是抽取参数的典型方法了。给个图还是最方便用来理解的:

image

(如果看不全,点击它可以看全图)

好吧,我觉得这个图是本篇博客中最有价值的部分了,转载一定要注明出处啊!

只说明一下针对 parameter pack 相对的另一个概念,模板参数后面带省略号 ... 就是一个解包(unpack),会把这个参数所表示的参数列表解开后去匹配新的模板,或是进行模板展开。其它的,我觉得有上面这个图,实在不需要再多费什么笔墨去讲这一部分了。

二、例子

新的标准库里,有很多个库都直接依赖于 variadic template 这个语言特性,比如,tuple,bind,function。但他们比较复杂,也不够“惊艳”。C++ 老爸的 C++11 的 FQA 和 Wikipedia 的例子都是“类型安全”的printf:

  1. void printf(const char *s)
  2. {
  3.     while (*s) {
  4.         if (*s == '%') {
  5.             if (*(s + 1) == '%') {
  6.                 ++s;
  7.             }
  8.             else {
  9.                 throw std::runtime_error("invalid format string: missing arguments");
  10.             }
  11.         }
  12.         std::cout << *s++;
  13.     }
  14. }
  15.  
  16. template<typename T, typename... Args>
  17. void printf(const char *s, T value, Args... args)
  18. {
  19.     while (*s) {
  20.         if (*s == '%') {
  21.             if (*(s + 1) == '%') {
  22.                 ++s;
  23.             }
  24.             else {
  25.                 std::cout << value;
  26.                 // call even when *s == 0 to detect extra arguments
  27.                 printf(s + 1, args...);
  28.                 return;
  29.             }
  30.         }
  31.         std::cout << *s++;
  32.     }
  33.     throw std::logic_error("extra arguments provided to printf");
  34. }

这个例子确实很棒,够短。仅仅X行的代码中,就用到了选择(if)和循环(while),递归(printf自身的递归),重载(cout的<<对种输出类型的重载),异常。这个例子不细讲,大家试着用“上面的图”来试试分析一下吧。(这个例子用来面试,让面试者来解析下是不是不错?……)

三、杂想

这里有篇文章有一些关于这个特性加入 C++ 的动机,简而言之,像 function ,bind 之类如果没有这个特性,实现起来会非常的麻烦,而且这样实现出来的代码也会使得编译时间变得很长。

image

你看,如果要支持39个参数,编译时间会到700秒。而使用 variadic template 之后,代码小了 40 K,同时各种参数个数的情况下编译时间都小于 1 秒。

这很好。但是,这个特性用起来真的不是那么容易,你也看到了。在和其它的特性一起使用的时候(多重继承,右值引用)等在一起的时候,会更加地“复杂”。但它是一个利器,用得好,会造出非常好用的库。否则,我们就用库好了,不要为去学习,记住和非要在日常编程中使用它而烦恼了。

四、参考资料

  1. Variadic Templates for GCC:http://www.generic-programming.org/~dgregor/cpp/variadic-templates.html
  2. 维基百科:http://en.wikipedia.org/wiki/Variadic_template
  3. C++11当时的提案:N2080 (这个特别好,或是最好,我所见过的)

posted on 2013-04-13 16:25  唐风思琪  阅读(22981)  评论(5编辑  收藏

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