C++11之可变参数模板

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在 C++ 的世界里，模板机制一直是提升代码复用性和泛型编程能力的重要工具。而可变参数模板（Variadic Templates）作为 C++11 引入的一项强大特性，更是将模板的灵活性推向了新的高度。它允许我们编写能够处理任意数量、任意类型参数的函数和类，极大地增强了代码的通用性和适应性。

一、可变参数模板的基本概念

在传统 C++ 中，函数的参数数量和类型是固定的，这在很多情况下限制了函数的通用性。而可变参数模板的出现，打破了这一限制。它允许函数接受不确定数量的参数，这些参数可以是任意类型，从而让函数能够以更加灵活的方式处理各种不同的输入。

可变参数模板的核心是使用 ...（三个点）来表示参数包（parameter pack）。参数包可以看作是一个包含了多个参数的集合，这些参数在函数中可以被逐一处理。例如，以下是一个简单的可变参数模板函数的声明：

template<typename... Args>
void print(Args... args);

在这个例子中，Args... args 就是一个参数，包Args 是一个模板参数列表，它代表了参数的类型，而 args 是参数包的名称。这个函数可以接受任意数量和类型的参数，这些参数在函数体内将被统一处理。

二.参数包扩展

递归包展开

void ShowList()
{
	cout << endl;
}

template <class T, class ...Args>
void ShowList(T x, Args... args)
{
	cout << x << " ";
	ShowList(args...);
}

template <class ...Args>
void Print(Args... args)
{
	// N个参数，第一个传给x，剩下N-1参数传给ShowList的第二个参数包
	ShowList(args...);
}

这段代码实现了一个递归打印的功能。Print 函数接收一个参数包 args，然后通过 ShowList(args...) 的方式将参数包展开，并将展开后的结果传递给 ShowList 函数。ShowList 函数通过递归的方式依次打印每个参数，直到参数包为空。

参数包展开的原理

参数包的定义

在我们的示例中，template <class ...Args> 定义了一个参数包 Args，它表示 Print 函数可以接受任意数量和类型的参数。

参数包的展开

参数包展开是指将参数包中的每个参数依次展开，以便在代码中对每个参数进行操作。展开操作是通过 ... 运算符来完成的。

在 Print 函数中，ShowList(args...) 是参数包展开的关键。这里，args 是参数包，ShowList(args...) 的作用是将参数包中的每个参数依次传递给 ShowList 函数。

例如，如果调用 Print(1, 2.5, "hello")，那么参数包 args 包含三个参数：1、2.5 和 "hello"。ShowList(args...) 的展开过程如下：

• 第一次调用 ShowList(1, 2.5, "hello")，T 是 int，x 是 1，剩下的参数包 args 是 2.5 和 "hello"。
• 第二次调用 ShowList(2.5, "hello")，T 是 double，x 是 2.5，剩下的参数包 args 是 "hello"。
• 第三次调用 ShowList("hello")，T 是 const char*，x 是 "hello"，剩下的参数包 args 是空的。
• 最后调用 ShowList()，参数包为空，打印换行符并结束递归。

另类包展开

首先，让我们来看一下本文的核心代码示例：

const T& GetArg(const T& x)
{
	cout << x << " ";
	return x;
}

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

template <class ...Args>
void Print(Args... args)
{
	// 注意GetArg必须返回或者到的对象，这样才能组成参数包给Arguments
	// GetArg的返回值组成实参参数包，传给Arguments
	Arguments(GetArg(args)...);
}

这段代码中，Print 函数是关键。它接收一个参数包 args，然后通过 GetArg(args)... 的方式将参数包展开，并将展开后的结果作为参数传递给 Arguments 函数。

参数包展开的原理

参数包的定义

template <class ...Args> 定义了一个参数包 Args，它表示 Print 函数可以接受任意数量和类型的参数。

参数包的展开

参数包展开是指将参数包中的每个参数依次展开，以便在代码中对每个参数进行操作。展开操作是通过 ... 运算符来完成的。

在 Print 函数中，GetArg(args)... 是参数包展开的关键。这里，args 是参数包，GetArg(args) 表示对参数包中的每个参数调用 GetArg 函数。... 运算符的作用是将 GetArg(args) 对每个参数的调用结果展开成一个参数列表，然后将这个参数列表传递给 Arguments 函数。

例如，如果调用 Print(1, 2.5, "hello")，那么参数包 args 包含三个参数：1、2.5 和 "hello"。GetArg(args)... 的展开过程如下：

• 对第一个参数 1 调用 GetArg(1)，得到返回值 1。
• 对第二个参数 2.5 调用 GetArg(2.5)，得到返回值 2.5。
• 对第三个参数 "hello" 调用 GetArg("hello")，得到返回值 "hello"。

最终，GetArg(args)... 展开成 GetArg(1), GetArg(2.5), GetArg("hello")，这相当于 1, 2.5, "hello"，然后将这个参数列表传递给 Arguments 函数。

三.emplace系列接口

template <class... Args> void emplace_back (Args&&... args);

template <class... Args> iterator emplace (const_iterator position, Args&&... args);

1. C++11以后STL容器新增了empalce系列的接⼝，empalce系列的接⼝均为模板可变参数，功能上兼容push和insert系列，但是empalce还⽀持新玩法，假设容器为container，empalce还⽀持直接插⼊构造T对象的参数，这样有些场景会更⾼效⼀些，可以直接在容器空间上构造T对象。
2. emplace_back总体⽽⾔是更⾼效，推荐以后使⽤emplace系列替代insert和push系列
3. 传递参数包过程中，如果是 Args&&… args 的参数包，要⽤完美转发参数包，⽅式如下std::forward(args)… ，否则编译时包扩展后右值引⽤变量表达式就变成了左值。

3.1emplace出现的原因

在 emplace 出现之前，我们往容器里添加元素时，常常会遇到一些效率问题。比如，当我们使用 std::vector 或 std::map 等容器时，如果要添加一个对象，通常的做法是先构造好对象，然后再将其拷贝或移动到容器中。这个过程涉及到临时对象的创建、拷贝或移动构造等操作，不仅代码显得繁琐，还可能带来不必要的性能开销，尤其是在处理大量数据或复杂对象时，这种开销会更加明显。

3.2emplace 系列接口的登场

C++11 引入了 emplace 系列接口，为容器操作带来了革命性的变化。emplace 的基本思想是在容器分配的存储空间上直接构造对象，从而避免了临时对象的创建和拷贝/移动构造等中间步骤。

以 std::vector 为例，其 emplace_back 方法允许我们在向量的末尾直接构造一个对象。假设我们有一个类 Person，包含姓名和年龄两个成员变量，我们想往 std::vector<Person> 中添加一个 Person 对象。传统的做法可能是这样：

std::vector<Person> people;
Person p("Alice", 25);
people.push_back(p);

这里，Person 对象 p 先被构造出来，然后通过 push_back 方法拷贝到 std::vector 中，涉及到两次构造（一次是 p 的构造，一次是拷贝构造到向量中）。

而使用 emplace_back，我们可以这样写：

std::vector<Person> people;
people.emplace_back("Alice", 25);

在这个例子中，emplace_back 直接在 std::vector 分配的存储空间上构造了一个 Person 对象，构造参数直接传递给 Person 的构造函数。这样，就避免了临时对象 p 的创建以及后续的拷贝构造，大大提高了效率。

3.3emplace 系列接口的原理

emplace 系列接口的魔法在于它利用了完美转发和变长参数模板。当调用 emplace 或 emplace_back 等方法时，这些方法会将传入的参数完美转发给容器中元素类型的构造函数，从而在容器分配的内存空间上直接构造对象。

以 std::map 的 emplace 方法为例，其大致实现原理如下：

template <typename Key, typename T, typename Compare, typename Allocator>
template <typename... Args>
std::pair<typename std::map<Key, T, Compare, Allocator>::iterator, bool>
std::map<Key, T, Compare, Allocator>::emplace(Args&&... args)
{
    // 在合适的位置分配内存
    auto position = ...;
    // 完美转发参数给键值对的构造函数，在分配的内存上直接构造对象
    auto result = emplace_hint(position, std::forward<Args>(args)...);
    return result;
}

这里的关键是 std::forward<Args>(args)...，它利用完美转发将参数原封不动地转发给元素类型的构造函数，从而保证了参数的值类别（左值或右值）不会改变，使得构造函数能够根据参数的实际类型进行正确的构造。

3.4通过代码来看一看emplace的效率

int main()
{
	// 效率用法都是一样的
	bit::list<int> lt1;
	lt1.push_back(1);
	lt1.emplace_back(2);

	bit::list<bit::string> lt2;
	// 传左值效率用法都是一样的
	bit::string s1("111111111");
	lt2.push_back(s1);
	lt2.emplace_back(s1);
	cout << "*****************************************" << endl;
	// 传右值效率用法都是一样的
	bit::string s2("111111111");
	lt2.push_back(move(s2));
	bit::string s3("111111111");
	lt2.emplace_back(move(s3));
	cout << "*****************************************" << endl;
	// emplace_back的效率略高一筹
	lt2.push_back("1111111111111111111111111111");
	lt2.emplace_back("11111111111111111111111111");
	cout << "*****************************************" << endl;
}

四.新的类功能

4.1 默认的移动构造和移动赋值

1. 原来C++类中，有6个默认成员函数：构造函数/析构函数/拷⻉构造函数/拷⻉赋值重载/取地址重载/const取地址重载，最后重要的是前4个，后两个⽤处不⼤，默认成员函数就是我们不写编译器会⽣成⼀个默认的。C++11新增了两个默认成员函数，移动构造函数和移动赋值运算符重载。
2. 如果你没有⾃⼰实现移动构造函数，且没有实现析构函数、拷⻉构造、拷⻉赋值重载中的任意⼀个。那么编译器会⾃动⽣成⼀个默认移动构造。默认⽣成的移动构造函数，对于内置类型成员会执⾏逐成员按字节拷⻉，⾃定义类型成员，则需要看这个成员是否实现移动构造，如果实现了就调⽤移动构造，没有实现就调⽤拷⻉构造。
3. 如果你没有⾃⼰实现移动赋值重载函数，且没有实现析构函数、拷⻉构造、拷⻉赋值重载中的任意⼀个，那么编译器会⾃动⽣成⼀个默认移动赋值。默认⽣成的移动构造函数，对于内置类型成员会执⾏逐成员按字节拷⻉，⾃定义类型成员，则需要看这个成员是否实现移动赋值，如果实现了就调⽤移动赋值，没有实现就调⽤拷⻉赋值。(默认移动赋值跟上⾯移动构造完全类似)
4. 如果你提供了移动构造或者移动赋值，编译器不会⾃动提供拷⻉构造和拷⻉赋值。

4.2成员变量声明时给缺省值

成员变量声明时给缺省值是给初始化列表⽤的，如果没有显⽰在初始化列表初始化，就会在初始化列表⽤这个缺省值初始化

4.3defult和delete

1. C++11可以让你更好的控制要使⽤的默认函数。假设你要使⽤某个默认的函数，但是因为⼀些原因这个函数没有默认⽣成。⽐如：我们提供了拷⻉构造，就不会⽣成移动构造了，那么我们可以使⽤default关键字显⽰指定移动构造⽣成。
2. 如果能想要限制某些默认函数的⽣成，在C++98中，是该函数设置成private，并且只声明补丁已，这样只要其他⼈想要调⽤就会报错。在C++11中更简单，只需在该函数声明加上=delete即可，该语法指⽰编译器不⽣成对应函数的默认版本，称=delete修饰的函数为删除函数。

4.4final与override

1. final 关键字

修饰类：当一个类被final修饰时，意味着这个类不能被继承。

class Base final { /* ... */ };
class Derived : public Base { /* 错误：Base 是 final 类，不能被继承 */ };

修饰虚函数：若虚函数被final修饰，那么在派生类中就不能再对该函数进行重写。

class Base {
public:
    virtual void func() final; // 声明为 final
};

class Derived : public Base {
public:
    void func(); // 错误：不能重写 final 函数
};

2. override 关键字

在C++里，override用于显式表明派生类中的函数是对基类虚函数的重写。如果使用了override却没有成功重写基类虚函数，编译器就会报错。

class Base {
public:
    virtual void func(int x);
};

class Derived : public Base {
public:
    void func(int x) override; // 正确：重写基类虚函数
    void func(double x) override; // 错误：基类中没有匹配的虚函数
};