前言
让我们实现一个 IsAllTrue
函数,支持变长参数,可传入多个表达式,必须全部计算为true,该函数才返回true。
本文记录了逐步实现与优化该函数的思维链,用到了以下现代C++新特性知识,适合对C++进阶知识有一定了解的人。这样一种从实际问题来学习和运用知识的过程还是挺有趣的,特此整理分享一下。
- 可变长参数模板 (C++11)
- 折叠表达式 (C++17)
- 条件编译 if constexpr (C++17)
- 类型萃取 type traits (C++11)
- 完美转发
std::forward
(C++11) - 结构化绑定
std::bind
(C++11)
初级版本——基于初始化列表实现
可以使用初始化列表 std::initializer_list
存储多个bool变量,实现传入多个bool值的目的,这种方法实际上该函数只有一个参数,实现如下:
bool IsAllTrue(const std::initializer_list<bool>& conditions) {return std::all_of(conditions.begin(), conditions.end(), [](const bool a) {return a;});
}
使用方法如下:
int a = 1;
bool b = true;
auto c = []() {return true;}
IsAllTrue({a, b, c});
这个方法的实现简单易用,但是对于代码有更高追求的人并不满足于此,以上实现存在如下问题:
- 传入参数是一个初始化列表,需要写大括号{},不够优雅。
- 调用函数前计算了每一个条件表达式,但实际任意一个为false,即可返回,可能存在如下问题:
- 不必要的函数调用带来一定计算开销;
- 当前后表达式存在依赖关系时,比如
p && p →a
,如果p是指针且为空, 计算p→a
会导致程序崩溃。
对于不了解这个函数用法的人而言,使用这个实现是会存在一定风险的。所以我们需要想办法利用 &&
实现短路求值,以及对函数结果的延迟计算。
进阶版本——基于折叠表达式实现
折叠表达式(Fold expressions)
折叠表达式是C++17引入的新特性,可通过二元操作符折叠可变长参数模板中的参数包。这个特性的引入是为了简化C++11可变长参数模板的使用。
- 根据左右方向可分为左折叠和右折叠:
一元左折叠(Unary right fold)和一元右折叠(Unary left fold)形式如下:
( pack op... ) //一元右折叠,从右往左计算, 等同于(E1 op (... op (EN-1 op EN)))
( ... op pack ) //一元左折叠,从左往右计算, 等同于(((E1 op E2) op ...) op EN)
在大多数情况下,对于交换律成立的操作符(如 +
和 *
),左折叠和右折叠的结果是相同的。然而,对于非交换的操作符,结果可能不同,例如减法或除法。
- 根据是否有初始值可分为一元和二元:
二元折叠表达式分为:二元右折叠(Binary right fold)和 二元左折叠(Binary left fold)。
( pack op ... op init ) //二元右折叠
( init op ... op pack ) //二元左折叠
- 使用二元左折叠的例子
template<typename... Args>
void printer(Args&&... args)
{((std::cout<< args << " "), ...)<< "\n";
}
基于一元右折叠的IsAllTrue函数
基于 &&
运算符的一元右折叠(Unary right fold)实现IsAllTrue如下:
template<typename... Args>
bool IsAllTrue(Args... args) { return (std::forward<Args>(args) && ...);
}
- 注:折叠表达式的最外层括号是必须的。
但以上实现,该模板本质上仍只能支持变长的多个bool参数,这会导致先计算出bool值再传入,仍未实现函数结果的延迟计算。
使用type traits 进一步优化
如何可以实现延迟计算呢?首先我们可以明确下,传递给该函数的参数类型,可能是bool值、可以计算出bool值的表达式或可调用对象、可转换为bool值的指针和数值。
总体可分为两类,一类是可转换为bool的表达式,另一类是可计算出bool的可调用对象。
由于参数类型(bool、函数对象、指针等)和类型特征(是否可调用、是否可以转成bool)均是可以在编译期确定的。
为了避免在编译期把模板参数类型都推断为bool,可定义 IsTrue
函数模板定义表达式bool值的计算方式,使模板可以推断出原表达式自身的类型,从而可以延迟其计算过程。其中用到了编译期条件if constexpr
和 一种类型萃取是否可调用 std::is_invocable_v
,这两个均是C++17引入的特性。
如果具备可调用的特征,则进行函数调用并返回结果;否则,将其转换为bool值返回。实现如下:
template <typename T>
bool IsTrue(T&& value) {if constexpr (std::is_invocable_v<T>) {// 如果是可调用对象,调用它并返回结果return std::forward<T>(value)();} else {// 否则,将其转换为boolreturn static_cast<bool>(std::forward<T>(value));}
}
基于以上模板改写 IsAllTure
模板函数 :
template <typename... Args>
bool IsAllTrue(Args&&... args) {return (IsTrue(std::forward<Args>(args)) && ...);
}
该实现的本质是我们希望在用N个表达式传入该模板函数后,模板实例化为形同如下形式,从而可以实现短路机制:
static_cast<bool>(Expr1) && Expr2() && static_cast<bool>(Expr3) && ... && ExprN()
函数测试
对以上代码进行如下测试,注释为输出结果,可以看到,能够满足我们的需求:
auto lambdaTrue = []() { std::cout<<" lambda true"<<std::endl;return true;
};
auto lambdaFalse = []() { std::cout<<" lambda false"<<std::endl;return false;
};
class Foo {
public:int a;
};
Foo* p = nullptr;
IsAllTrue(true, lambdaTrue); // 输出lambda true
IsAllTrue(false, lambdaTrue); // 无输出,实现了短路机制以及延迟计算
IsAllTrue(p, p->a); // 正常运行,不会coredump
以上为了方便,均使用定义了无参lambda函数进行了测试。为了延迟一般含参函数的计算结果,能够方便传入带参数的函数对象,还可以基于std::bind
实现一个用于生成可调用对象的函数:
template <typename F, typename... Args>
auto make_callable(F&& f, Args&&... args) {return std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...);
}
比如:
bool less(int a, int b) {return a < b;
}IsAllTrue(true, make_callable(less, 1, 2));
完整测试代码:https://compiler-explorer.com/z/fTvq7Y36Y
知识总结
本文使用了以下C++知识实现了一个高效的IsAllTrue函数,优点为它的使用安全且较为高效,缺点在于代码实现较为复杂,对C++知识掌握程度要求较高,过多使用也会导致代码体积膨胀。
- 条件编译
if constexpr
:- 这个关键字用于在编译时判断是否满足条件。如果
T
是可调用对象(例如lambda
或函数对象),则调用它并返回结果。 - 如果
T
不是可调用对象,则将其转换为bool
。
- 这个关键字用于在编译时判断是否满足条件。如果
- 类型萃取
std::is_invocable_v
:- 这是一个用于判断类型
T
是否可调用的特性。如果T
是可调用对象,则std::is_invocable_v<T>
返回true
。 - 需要包含 <type_traits> 头文件
- 这是一个用于判断类型
- 完美转发
std::forward
:std::forward<T>(value)
确保参数的完美转发,保留其左值或右值性质。
- 可变长参数模板:支持可变数量的参数包,语法用
T ... args
表示。 - 折叠表达式
- 使用了C++17中的折叠表达式 ,它会对参数从左到右进行求值。
- 简化了可变长参数模板的使用,提供了一种简洁而直观的方式来对参数包进行展开和操作,从而避免了递归或显式循环的繁琐。
- 结构化绑定
std::bind
:可绑定参数args到一个函数f,并返回一个可调用对象。
参考
- https://en.cppreference.com/w/cpp/language/fold
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