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：

（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。

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）