前言

可變參數(shù)模板（variadic templates）是C++11新增的強(qiáng)大的特性之一，它對(duì)模板參數(shù)進(jìn)行了高度泛化，能表示0到任意個(gè)數(shù)、任意類型的參數(shù)。相比C++98/03這些類模版和函數(shù)模版中只能含固定數(shù)量模版參數(shù)的“老古董”，可變模版參數(shù)無(wú)疑是一個(gè)巨大的進(jìn)步。

如果是剛接觸可變參數(shù)模板可能會(huì)覺得比較抽象，使用起來(lái)會(huì)不太順手，使用可變參數(shù)模板時(shí)通常離不開模板參數(shù)的展開，所以本文來(lái)列舉一些常用的模板展開方式，幫助我們來(lái)對(duì)可變參數(shù)模板有一個(gè)初步的了解。

可變參數(shù)模板的定義

可變參數(shù)模板和普通模板的定義類似，在寫法上需要在 typename 或 class 后面帶上省略號(hào)...，以下為一個(gè)常見的可變參數(shù)函數(shù)模板：

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

上面這個(gè)函數(shù)模板的參數(shù) args 前面有省略號(hào)，所以它就是一個(gè)被稱為模板參數(shù)包（template parameter pack）的可變模版參數(shù)，它里面包含了0到N個(gè)模版參數(shù)，而我們是無(wú)法直接獲取 args 中的每個(gè)參數(shù)的，只能通過(guò)展開參數(shù)包的方式來(lái)獲取參數(shù)包中的每個(gè)參數(shù)，這也是本文要重點(diǎn)總結(jié)的內(nèi)容。

參數(shù)包的展開

參數(shù)包展開的方式隨著c++語(yǔ)言的發(fā)展也在與時(shí)俱進(jìn)，我們以實(shí)現(xiàn)一個(gè)可變參格式化打印函數(shù)為例，列舉一些常用的方式：

遞歸函數(shù)方式展開

#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;
}

這種遞歸展開的方式與遞歸函數(shù)的定義是一樣的，需要遞歸出口和不斷調(diào)用自身，仔細(xì)看看這個(gè)函數(shù)模板是不是都滿足啦？遞歸出口就是這個(gè)無(wú)模板參數(shù)的 FormatPrint，并且在有參模板中一直在調(diào)用自身，遞歸調(diào)用的過(guò)程時(shí)這樣的 FormatPrint(4,3,2,1) -> FormatPrint(3,2,1) -> FormatPrint(2,1) -> FormatPrint(1) -> FormatPrint()，輸出內(nèi)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]

逗號(hào)表達(dá)式展開

#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;
}

這種方式用到了C++11的新特性初始化列表（Initializer lists）以及很傳統(tǒng)的逗號(hào)表達(dá)式，我們知道逗號(hào)表達(dá)式的優(yōu)先級(jí)最低，(a, b) 這個(gè)表達(dá)式的值就是 b，那么上述代碼中(std::cout << "[" << args << "]", 0)這個(gè)表達(dá)式的值就是0，初始化列表保證其中的內(nèi)容從左往右執(zhí)行，args參數(shù)包會(huì)被逐步展開，表達(dá)式前的(void)是為了防止變量未使用的警告，運(yùn)行過(guò)后我們就得到了一個(gè)N個(gè)元素為0的初始化列表，內(nèi)容也被格式化輸出了：

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]

說(shuō)到這順便提一下，可以使用sizeof...(args)得到參數(shù)包中參數(shù)個(gè)數(shù)。

enable_if方式展開

#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常用于構(gòu)建需要根據(jù)不同的類型的條件實(shí)例化不同模板的時(shí)候。顧名思義，當(dāng)滿足條件時(shí)類型有效。可作為選擇類型的小工具，其廣泛的應(yīng)用在 C++ 的模板元編程（meta programming）之中，利用的就是SFINAE原則，英文全稱為Substitution failure is not an error，意思就是匹配失敗不是錯(cuò)誤，假如有一個(gè)特化會(huì)導(dǎo)致編譯時(shí)錯(cuò)誤，只要還有別的選擇，那么就無(wú)視這個(gè)特化錯(cuò)誤而去選擇另外的實(shí)現(xiàn)，這里的特化概念不再展開，感興趣可以自行了解，后續(xù)可以單獨(dú)總結(jié)一下。

在上面的代碼實(shí)現(xiàn)中，基本思路是先將可變模版參數(shù)轉(zhuǎn)換為std::tuple，然后通過(guò)遞增參數(shù)的索引來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)?code>FormatTuple函數(shù)，當(dāng)參數(shù)的索引小于tuple元素個(gè)數(shù)時(shí)，會(huì)不斷取出當(dāng)前索引位置的參數(shù)并輸出，當(dāng)參數(shù)索引等于總的參數(shù)個(gè)數(shù)時(shí)調(diào)用另一個(gè)模板重載函數(shù)終止遞歸，編譯運(yùn)行輸入以下內(nèi)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]

折疊表達(dá)式展開（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;
}

折疊表達(dá)式（Fold Expressions）是C++17新引進(jìn)的語(yǔ)法特性，使用折疊表達(dá)式可以簡(jiǎn)化對(duì)C++11中引入的參數(shù)包的處理，可以在某些情況下避免使用遞歸，更加方便的展開參數(shù)，如上述代碼中展示的這樣可以方便的展開參數(shù)包，不過(guò)輸出的內(nèi)容和之前的有些不一樣：

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

對(duì)比結(jié)果發(fā)現(xiàn)缺少了格式化的信息，需要以輔助函數(shù)的方式來(lái)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;
}

這次格式化內(nèi)容就被加進(jìn)來(lái)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]

這樣好像還是有點(diǎn)麻煩，我們可以把折疊表達(dá)式和逗號(hào)表達(dá)式組合使用，這樣得到的代碼就簡(jiǎn)單多啦，也能完成格式化輸出的任務(wù)：

#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;
}

總結(jié)

Variadic templates 是C++11新增的強(qiáng)大的特性之一，它對(duì)模板參數(shù)進(jìn)行了高度泛化Initializer lists 是C++11新加的特性，可以作為函數(shù)參數(shù)和返回值，長(zhǎng)度不受限制比較方便Fold Expressions 是C++17新引進(jìn)的語(yǔ)法特性，可以方便的展開可變參數(shù)模板的參數(shù)包可變參數(shù)模板的參數(shù)包在C++11的環(huán)境下，可以利用遞歸、逗號(hào)表達(dá)式、enable_if等方式進(jìn)行展開

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