c++11-17 模板核心知识（十一）—— 编写泛型库需要的基本技术

  • Callables
    • 函数对象 Function Objects
    • 处理成员函数及额外的参数
      • std::invoke<>()
    • 统一包装
  • 泛型库的其他基本技术
    • Type Traits
    • std::addressof()
    • std::declval
  • 完美转发 Perfect Forwarding
  • 作为模板参数的引用
  • 延迟计算 Defer Evaluations

Callables

许多基础库都要求调用方传递一个可调用的实体（entity）。例如：一个描述如何排序的函数、一个如何hash的函数。一般用callback来描述这种用法。在C++中有以下几种形式可以实现callback，它们都可以被当做函数参数传递并可以直接使用类似f(...)的方式调用：

  • 指向函数的指针。
  • 重载了operator()的类（有时被叫做functors），包括lambdas.
  • 包含一个可以生成函数指针或者函数引用的转换函数的类。

C++使用callable type来描述上面这些类型。比如，一个可以被调用的对象称作callable object，我们使用callback来简化这个称呼。

编写泛型代码会因为这个用法的存在而可扩展很多。

函数对象 Function Objects

例如一个for_each的实现：

template 
void foreach (Iter current, Iter end, Callable op) {
  while (current != end) {     // as long as not reached the end
    op(*current);              // call passed operator for current element
    ++current;                 // and move iterator to next element
  }
}

使用不同的Function Objects来调用这个模板：

// a function to call:
void func(int i) { std::cout << "func() called for: " << i << '\n'; }

// a function object type (for objects that can be used as functions):
class FuncObj {
public:
  void operator()(int i) const { // Note: const member function
    std::cout << "FuncObj::op() called for: " << i << '\n';
  }
};


int main(int argc, const char **argv) {
  std::vector primes = {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19};

  foreach (primes.begin(), primes.end(),  func);       // range function as callable (decays to pointer)
  foreach (primes.begin(), primes.end(), &func);         // range function pointer as callable

  foreach (primes.begin(), primes.end(), FuncObj());     // range function object as callable
                                              
  foreach (primes.begin(), primes.end(),     // range lambda as callable
           [](int i) {                   
             std::cout << "lambda called for: " << i << '\n';
           });
  return 0;
}

解释一下：

  • foreach (primes.begin(), primes.end(), func); 按照值传递时，传递函数会decay为一个函数指针。
  • foreach (primes.begin(), primes.end(), &func); 这个比较直接，直接传递了一个函数指针。
  • foreach (primes.begin(), primes.end(), FuncObj()); 这个是上面说过的functor，一个重载了operator()的类。所以，当调用op(*current);时，实际是在调用op.operator()(*current);. ps. 如果不加函数声明后面的const，在某些编译器中可能会报错。
  • Lambda ： 这个和前面情况一样，不解释了。

处理成员函数及额外的参数

上面没有提到一个场景 ： 成员函数。因为调用非静态成员函数的方式是object.memfunc(. . . )或ptr->memfunc(. . . )，不是统一的function-object(. . . )。

std::invoke<>()

幸运的是，从C++17起，C++提供了std::invoke<>()来统一所有的callback形式：

image

template 
void foreach (Iter current, Iter end, Callable op, Args const &... args) {
  while (current != end) {     // as long as not reached the end of the elements
    std::invoke(op,            // call passed callable with
                args...,       // any additional args
                *current);     // and the current element
    ++current;
  }
}

那么，std::invoke<>()是怎么统一所有callback形式的呢？
注意，我们在foreach中添加了第三个参数：Args const &... args. invoke是这么处理的：

  • 如果Callable是指向成员函数的指针，它会使用args的第一个参数作为类的this。args中剩余的参数被传递给Callable。
  • 否则，所有args被传递给Callable。

使用：

// a class with a member function that shall be called
class MyClass {
public:
  void memfunc(int i) const {
    std::cout << "MyClass::memfunc() called for: " << i << '\n';
  }
};

int main() {
  std::vector primes = {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19};

  // pass lambda as callable and an additional argument:
  foreach (
      primes.begin(), primes.end(),              // elements for 2nd arg of lambda
      [](std::string const &prefix, int i) {     // lambda to call
        std::cout << prefix << i << '\n';
      },
      "- value: ");    // 1st arg of lambda

  // call obj.memfunc() for/with each elements in primes passed as argument
  MyClass obj;
  foreach (primes.begin(), primes.end(), // elements used as args
           &MyClass::memfunc,            // member function to call
           obj);                         // object to call memfunc() for
}

注意在callback是成员函数的情况下，是如何调用foreach的。

统一包装

std::invoke()的一个场景用法是：包装一个函数调用，这个函数可以用来记录函数调用日志、测量时间等。

#include                // for std::invoke()
#include         // for std::forward()

template
decltype(auto) call(Callable&& op, Args&&... args) {
    return std::invoke(std::forward(op),  std::forward(args)...);       // passed callable with any additional args
}

一个需要考虑的事情是，如何处理op的返回值并返回给调用者：

template
decltype(auto) call(Callable&& op, Args&&... args)

这里使用decltype(auto)（从C++14起）（decltype(auto)的用法可以看之前的文章 : c++11-17 模板核心知识（九）—— 理解decltype与decltype(auto)）

如果想对返回值做处理，可以声明返回值为decltype(auto)：

decltype(auto) ret{std::invoke(std::forward(op), std::forward(args)...)};

...
return ret;

但是有个问题，使用decltype(auto)声明变量，值不允许为void，可以针对void和非void分别进行处理：

#include   // for std::forward()
#include  // for std::is_same<> and invoke_result<>
#include      // for std::invoke()

template 
decltype(auto) call(Callable &&op, Args &&... args) {

  if constexpr (std::is_same_v, void>) {
    // return type is void:
    std::invoke(std::forward(op), std::forward(args)...);
    ... 
    return;
  } else {
    // return type is not void:
    decltype(auto) ret{
        std::invoke(std::forward(op), std::forward(args)...)};
    ... 
    return ret;
  }
}

std::invoke_result<>只有从C++17起才能使用，C++17之前只能用typename std::result_of::type.

泛型库的其他基本技术

Type Traits

这个技术很多人应该很熟悉，这里不细说了。

#include 

template  
class C {

  // ensure that T is not void (ignoring const or volatile):
  static_assert(!std::is_same_v, void>,
                "invalid instantiation of class C for void type");

public:
  template  void f(V &&v) {
    if constexpr (std::is_reference_v) {
      ... // special code if T is a reference type
    }
    if constexpr (std::is_convertible_v, T>) {
      ... // special code if V is convertible to T
    }
    if constexpr (std::has_virtual_destructor_v) {
      ... // special code if V has virtual destructor
    }
  }
};

这里，我们使用type_traits来进行不同的实现。

std::addressof()

可以使用std::addressof<>()获取对象或者函数真实的地址， 即使它重载了operator &. 不过这种情况不是很常见。当你想获取任意类型的真实地址时，推荐使用std::addressof<>()：

template
void f (T&& x) {
    auto p = &x;         // might fail with overloaded operator &
    auto q = std::addressof(x);       // works even with overloaded operator &
    ...
}

比如在STL vector中，当vector需要扩容时，迁移新旧vector元素的代码：

{
  for (; __first != __last; ++__first, (void)++__cur) std::_Construct(std::__addressof(*__cur), *__first);
  return __cur;
}

template 
inline void _Construct(_T1 *__p, _Args &&... __args) {
  ::new (static_cast(__p)) _T1(std::forward<_Args>(__args)...);      //实际copy(或者move)元素
}

这里使用std::addressof()获取新vector当前元素的地址，然后进行copy(或move)。可以看之前写的c++ 从vector扩容看noexcept应用场景

std::declval

std::declval可以被视为某一特定类型对象引用的占位符。它不会创建对象，常常和decltype和sizeof搭配使用。因此，在不创建对象的情况下，可以假设有相应类型的可用对象，即使该类型没有默认构造函数或该类型不可以创建对象。

注意，declval只能在unevaluated contexts中使用。

一个简单的例子：

class Foo;     //forward declaration
Foo f(int);     //ok. Foo is still incomplete
using f_result = decltype(f(11));      //f_result is Foo

现在如果我想获取使用int调用f()后返回的类型是什么？是decltype(f(11))？看起来怪怪的，使用declval看起来就很明了：

decltype(f(std::declval()))

还有就是之前c++11-17 模板核心知识（一）—— 函数模板中的例子)——返回多个模板参数的公共类型：

template ()
                                                   : std::declval())>>
RT max(T1 a, T2 b) {
  return b < a ? a : b;
}

这里在为了避免在?:中不得不去调用T1 和T2 的构造函数去创建对象，我们使用declval来避免创建对象，而且还可以达到目的。ps. 别忘了使用std::decay_t，因为declval返回的是一个rvalue references. 如果不用的话，max(1,2)会返回int&&.

最后看下官网的例子：

#include 
#include 
 
struct Default { int foo() const { return 1; } };
 
struct NonDefault
{
    NonDefault() = delete;
    int foo() const { return 1; }
};
 
int main()
{
    decltype(Default().foo()) n1 = 1;                   // type of n1 is int
//  decltype(NonDefault().foo()) n2 = n1;               // error: no default constructor
    decltype(std::declval().foo()) n2 = n1;    // type of n2 is int
    std::cout << "n1 = " << n1 << '\n'
              << "n2 = " << n2 << '\n';
}

完美转发 Perfect Forwarding

template
void f (T&& t) // t is forwarding reference {
    g(std::forward(t));       // perfectly forward passed argument t to g()
}

或者转发临时变量，避免无关的拷贝开销：

template
void foo(T x) {
    auto&& val = get(x);
    ...

    // perfectly forward the return value of get() to set():
    set(std::forward(val));
}

作为模板参数的引用

template
void tmplParamIsReference(T) {
    std::cout << "T is reference: " << std::is_reference_v << '\n';
}

int main() {
    std::cout << std::boolalpha;
    int i;
    int& r = i;
    tmplParamIsReference(i);     // false
    tmplParamIsReference(r);      // false
    tmplParamIsReference(i);      // true
    tmplParamIsReference(r);      // true
}

这点也不太常见，在前面的文章c++11-17 模板核心知识（七）—— 模板参数 按值传递 vs 按引用传递提到过一次。这个会改变强制改变模板的行为，即使模板的设计者一开始不想这么设计。

我没怎么见过这种用法，而且这种用法有的时候会有坑，大家了解一下就行。

可以使用static_assert禁止这种用法：

template
class optional {
    static_assert(!std::is_reference::value, "Invalid instantiation of optional for references");
    …
};

延迟计算 Defer Evaluations

首先引入一个概念：incomplete types. 类型可以是complete或者incomplete，incomplete types包含：

  • 类只声明没有定义。
  • 数组没有定义大小。
  • 数组包含incomplete types。
  • void
  • 枚举类型的underlying type或者枚举类型的值没有定义。

可以理解incomplete types为只是定义了一个标识符但是没有定义大小。例如：

class C;     // C is an incomplete type
C const* cp;     // cp is a pointer to an incomplete type
extern C elems[10];     // elems has an incomplete type
extern int arr[];     // arr has an incomplete type
...
class C { };     // C now is a complete type (and therefore cpand elems no longer refer to an incomplete type)
int arr[10];     // arr now has a complete type

现在回到Defer Evaluations的主题上。考虑如下类模板：

template
class Cont {
  private:
    T* elems;
  public:
    ...
};

现在这个类可以使用incomplete type，这在某些场景下很重要，例如链表节点的简单实现：

struct Node {
    std::string value;
    Cont next;        // only possible if Cont accepts incomplete types
};

但是，一旦使用一些type_traits，类就不再接受incomplete type：

template  
class Cont {
private:
  T *elems;

public:
  ... 
  
  typename std::conditional::value, T &&, T &>::type 
  foo();
};

std::conditional也是一个type_traits，这里的意思是：根据T是否支持移动语义，来决定foo()返回T &&还是T &.

但是问题在于，std::is_move_constructible需要它的参数是一个complete type. 所以，之前的struct Node这种声明会失败（不是所有的编译器都会失败。其实这里我理解不应该报错，因为按照类模板实例化的规则，成员函数只有用到的时候才进行实例化）。

我们可以使用Defer Evaluations来解决这个问题：

template  
class Cont {
private:
  T *elems;

public:
  ... 
  
  template
  typename std::conditional::value, T &&, T &>::type 
  foo();
};

这样，编译器就会直到foo()被complete type的Node调用时才实例化。

（完）

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