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chapter1-7-chinese.md

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使用折叠表达式实现辅助函数

自C++11起,加入了变长模板参数包,能让函数结构任意数量的参数。有时,这些参数都组合成一个表达式,从中得出函数结果。C++17中使用折叠表达式,可以让这项任务变得更加简单。

How to do it...

首先,实现一个函数,用于将所有参数进行累加:

  1. 声明该函数:

    template <typename ... Ts>
    auto sum(Ts ... ts);
  2. 那么现在我们拥有一个参数包ts,并且函数必须将参数包展开,然后使用表达式进行求和。如果我们对这些参数进行某个操作(比如:加法),那么为了将这个操作应用于该参数包,就需要使用括号将表达式包围:

    template<typename ... Ts>
    auto sum(Ts ... ts){
    	return (ts + ...);
    }
  3. 现在我们可以调用这个函数:

    int the_sum {sum(1, 2, 3, 4, 5)}; // value: 15
  4. 这个操作不仅对int类型起作用,我们能对任何支持加号的类型使用这个函数,比如std::string:

    std::string a{"Hello "};
    std::string b{"World"};
    
    std::cout << sum(a, b) << '\n'; // output: Hello World

How it works...

这里只是简单的对参数集进行简单的递归,然后应用二元操作符+将每个参数加在一起。这称为折叠操作。C++17中添加了折叠表达式,其能用更少的代码量,达到相同的结果。

其中有种称为一元折叠的表达式。C++17中的折叠参数包支持如下二元操作符:+ - * / % ^ & | = < > << >> += -= *= /= %= ^= &= |= <<= >>= == != <= >= && || , .* ->*

这样的话,在我们的例子中表达式(ts+...)(...+ts)等价。不过,对于某些其他的例子,这就所有不同了——当...在操作符右侧时,称为有“右折叠”;当...在操作符左侧时,称为”左折叠“。

我们sum例子中,一元左折叠的扩展表达式为1+(2+(3+(4+5))),一元右折叠的扩展表达式为(((1+2)+3)+4)+5。根据操作符的使用,我们就能看出差别。当用来进行整数相加,那么就没有区别。

There's more...

如果在调用sum函数的时候没有传入参数,那么可变参数包中就没有可以被折叠的参数。对于大多数操作来说,这将导致错误(对于一些例子来说,可能会是另外一种情况,我们后面就能看到)。这时我们就需要决定,这时一个错误,还是返回一个特定的值。如果是特定值,显而易见应该是0。

如何返回一个特定值:

template <typenme ... Ts>
auto sume(Ts ... ts){
	return (ts + ... + 0);
}

sum()会返回0,sum(1, 2, 3)返回(1+(2+(3+0)))。这样具有初始值的折叠表达式称为二元折叠

当我们写成(ts + ... + 0)(0 + ... + ts)时,不同的写法就会让二元折叠表达式处于不同的位置(二元右折叠或二元左折叠)。下图可能更有助于理解左右二元折叠:

为了应对无参数传入的情况,我们使用二元折叠表达式,这里标识元素这个概念很重要——本例中,将0加到其他数字上不会有任何改变,那么0就一个标识元素。因为有这个属性,对于加减操作来说,可以将0添加入任何一个折叠表达式,当参数包中没有任何参数时,我们将返回0。从数学的角度来看,这没问题。但从工程的角度,我们需要根据我们需求,定义什么是正确的。

同样的原理也适用于乘法。这里,标识元素为1:

template <typename ... Ts>
auto product(Ts ... ts){
	return (ts * ... * 1);
}

product(2, 3)的结果是6,product()的结果是1。

逻辑操作符and(&&)or(||)具有内置的标识元素。&&操作符为true,||操作符为false。

对于逗号表达式来说,其标识元素为void()

为了更好的理解这特性,让我们可以使用这个特性来实现的辅助函数。

匹配范围内的单个元素

如何告诉函数在一定范围内,我们提供的可变参数至少包含一个值:

template <typename R, typename ... Ts>
auto matches(const R& range, Ts ... ts)
{
	return (std::count(std::begin(range), std::end(range), ts) + ...);
}

辅助函数中使用STL中的std::count函数。这个函数需要三个参数:前两个参数定义了迭代器所要遍历的范围,第三个参数则用于与范围内的元素进行比较。std::count函数会返回范围内与第三个参数相同元素的个数。

在我们的折叠表达式中,我们也会将开始和结束迭代器作为确定范围的参数传入std::count函数。不过,对于第三个参数,我们将会每次从参数包中放入一个不同参数。最后,函数会将结果相加返回给调用者。

可以这样使用:

std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};

matches(v, 2, 5); // return 2
matches(v, 100, 200); // return 0
matches("abcdefg", 'x', 'y', 'z'); // return 0
matches("abcdefg", 'a', 'b', 'f'); // return 3

如我们所见,matches辅助函数十分灵活——可以直接传入vectorstring直接调用。其对于初始化列表也同样适用,也适用于std::liststd::arraystd::set等STL容器的实例。

检查集合中的多个插入操作是否成功

我们完成了一个辅助函数,用于将任意数量参数插入std::set实例中,并且返回是否所有插入操作都成功完成:

template <typename T, typename ... Ts>
bool insert_all(T &set, Ts ... ts)
{
	return (set.insert(ts).second && ...);
}

那么这个函数如何工作呢?std::setinsert成员函数声明如下:

std::pair<iterator, bool> insert(const value_type& value);

手册上所述,当我们使用insert函数插入一个元素时,该函数会使用一个包含一个迭代器和一个布尔值的组对作为返回值。当该操作成功,那么迭代器指向的就是新元素在set实例中的位置。否则,迭代器指向某个已经存在的元素,这个元素与插入项有冲突。

我们的辅助函数在完成插入后,会访问.second区域,这里的布尔值反映了插入操作成功与否。如果所有插入操作都为true,那么都是成功的。折叠标识使用逻辑操作符&&链接所有插入结果的状态,并且返回计算之后的结果。

可以这样使用它:

std::set<int> my_set{1, 2, 3};

insert_all(my_set, 4, 5, 6); // Returns true
insert_all(my_set, 7, 8, 2); // Returns false, because the 2 collides

需要注意的是,当在插入3个元素时,第2个元素没有插入成功,那么&&会根据短路特性,终止插入剩余元素:

std::set<int> my_set{1, 2, 3};

insert_all(my_set, 4, 2, 5); // Returns flase
// set contains {1, 2, 3, 4} now, without the 5!

检查所有参数是否在范围内

当要检查多个变量是否在某个范围内时,可以多次使用查找单个变量是否在某个范围的方式。这里我们可以使用折叠表达式进行表示:

template <typename T, typename ... Ts>
bool within(T min, T max, Ts ...ts)
{
	return ((min <= ts && ts <= max) && ...);
}

表达式(min <= ts && ts <= max) 将会告诉调用者参数包中的每一个元素是否在这个范围内。我们使用&&操作符对每次的结果进行处理,从而返回最终的结果。

如何使用这个辅助函数:

within(10, 20, 1, 15, 30); // --> false
within(10, 20, 11, 12, 13); // --> true
within(5.0, 5.5, 5.1, 5.2, 5.3) // --> true

这个函数也是很灵活的,其只需要传入的参数类型可以进行比较,且支持<=操作符即可。并且该规则对于std::string都是适用的:

std::string aaa {"aaa"};
std::string bcd {"bcd"};
std::string def {"def"};
std::string zzz {"zzz"};

within(aaa, zzz, bcd, def); // --> true
within(aaa, def, bcd, zzz); // --> false

将多个元素推入vector中

可以编写一个辅助函数,不会减少任何结果,又能同时处理同一类的多个操作。比如向std::vector传入元素:

template <typename T, typename ... Ts>
void insert_all(std::vector<T> &vec, Ts ... ts){
	(vec.push_back(ts), ...);
}

int main(){
	std::vector<int> v{1, 2, 3};
	insert_all(v, 4, 5, 6);
}

需要注意的是,使用了逗号操作符将参数包展开,然后推入vector中。该函数也不惧空参数包,因为逗号表达式具有隐式标识元素,void()可以翻译为什么都没做