C++11 可变参数模板

序言

 不知道大家有没有细细研究过在 C 语言 中的 printf 函数，也许我们经常使用他，但是我们可能并不是那么了解他。先看一下调用格式：int printf ( const char * format, ... );，在这里的 format 代表我们的输出格式，后面的 ... 省略号这又是什么呢，这代表 可变参数，你可以传递任意数量的参数。这是怎么实现的呢？

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1. C 中的可变参数

1.1 可变参数的概念

 可变参数是指在函数定义中，允许传入不定数量的参数的一种机制。在编程语言中，可变参数使得函数能够更加灵活地处理不同数量的输入。

1.2 实现可变参数

 在实现可变参数的函数之前，我们先认识几个函数：

stdarg.h 头文件

 为了处理可变参数，C 语言 标准库提供了 stdarg.h 头文件，它定义了一组宏来访问这些参数。这些宏包括：

• va_list：一个类型，用于声明一个变量，该变量可以用来遍历函数的参数列表。
• va_start(ap, last_arg)：初始化 va_list 变量 ap，last_arg 是最后一个固定参数的名字，ap 将用来遍历所有后续的可变参数。
• va_arg(ap, type)：返回 ap 指向的下一个参数，并将 ap 更新为指向下一个参数的指针。type 参数指定了期望的参数类型。
• va_end(ap)：清理 va_list 变量 ap，结束对可变参数列表的遍历。

现在我们实现一个简单的打印数字的可变参数函数：

void PrintNums(int cnt, ...)
{va_list ap;// 初始化va_start(ap, cnt);// 遍历for (int i = 0; i < cnt; i++){// 遍历参数包中的所有参数int num = va_arg(ap, int);std::cout << num << ' ';}std::cout << std::endl;// 释放va_end(ap);
}int main()
{// 第一个参数代表可变参数的个数PrintNums(5, 1, 2, 3, 4, 5);return 0;
}

最后的输出结果也和我们的预期一致：

1 2 3 4 5

1.3 可变参数的原理

 首先我们传递我们的参数时，是 从右到左依次入栈，如下图：

注意：在这里不要被图像误导，参数占的空间其实很小，只是为了美观画的大一点

通过查看 va_list 的定义 — typedef char* va_list; ，我们发现其实他就是一个 char* 指针。现在该指针需要指向可变参数的起始部分，所以我们需要传递 cnt 过去，对该指针进行初始化后自然就指向了可变参数的起始地址：

之后我们取数据的时候告诉指针，这是一个 int 类型，你一次性要取 4 / 8 个字节才是完整的数据。之后该指针一直重复取数据的参数，直至遇到结束条件（在这里是 i == cnt）。

 原理似乎也没有那么复杂，但是当可变参数遇到模板时…

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2. C++ 中的可变参数模板

2.1 可变参数模板

 在 C++ 中，可变参数模板允许你定义可以 接受任意数量模板参数的模板函数或模板类。这是通过使用模板参数包（template parameter pack）和函数参数包（function parameter pack）来实现的。

2.2 实现可变参数模板

 可变参数模板实际使用起来是比较别扭的，比如这里我就简单实现一个打印多个类型的函数：

void MyPrint()
{std::cout << std::endl;
}template <class T, class... Args>
void _MyPrint(const T &val, Args... args)
{std::cout << val << ' ';_MyPrint(args...);
}template <class... Args>
void MyPrint(Args... args)
{_MyPrint(args...);
}int main()
{MyPrint(1, 1.2, 'A', "ABCD");return 0;
}

输出结果也没有任何的问题：

1 1.2 A ABCD

这个方案的逻辑是递归的去解析参数包，每次取出一个参数直至参数取为空。

 接下来还有一个方案，实现的方式稍微简单一些：

template <class T>
int _MyPrint(const T& val)
{std::cout << val << " ";return 0;
}template <class... Args>
void MyPrint(Args... args)
{int arr[] = {_MyPrint(args)...};std::cout << std::endl;
}int main()
{MyPrint(1, 1.2, 'A', "ABCD");return 0;
}

当然结果肯定和方案一是一致的，但是我们又该怎么理解呢：

1. 当我们编译程序时需要为这个数组申请指定大小的空间
2. 但是怎么获取数组中有多少元素呢
3. 数组中的函数执行一次就有一个返回值，所以执行多少次就有多少元素
4. 那么函数具体执行多少次呢
5. 该函数需要一个参数，所以参数包里的参数数量决定执行次数
6. 执行该函数时我们就会处理一个参数直至参数被使用完

但是很少有让我们实现可变参数模板的场景，大家当作了解一下。

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3. 可变参数模板的应用

 就拿容器 vector 举例子，它常使用 insert，push_back 这两个方法添加元素，为了提高效率通过可变参数模板，新的插入元素的方法 emplace, emplace_back 由此而生。

 他的怎么高效的呢？举个栗子来比较一下：

// 方式一
std::string s = "ABC";
vec.push_back(s);// 方式二
vec.push_back(std::string("ABC"));// 方式三
vec.emplace_back("ABC");

我们在这里来比较三者的效率：

• 方案一：构造函数 + 拷贝构造
• 方案二：构造函数 + 移动构造
• 方案三：构造函数

emplace_back直接在容器内构造对象可以避免多余的复制或移动操作，提高性能。
并且 emplace_back 是兼容 push_back 的使用的，所以在使用时大家尽量使用前者。

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4. 总结

 在这篇文中我们首先介绍了在 C 语言 中的可变参数，之后简单讲解了 C++ 中的可变参数模板的使用以及应用。