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c++ 17 模板函数式编程折叠表达式 fold

C++模板编程函数表达式 17 折叠 fold

2023-09-14 09:08:24 时间

c++函数式编程：https://blog.csdn.net/richenyunqi/article/details/89530589

转自：https://blog.csdn.net/m0_43383220/category_10485824.html

1 模板参数推导

1.1，C++17可对类模板的参数类型进行推导。

示例

1. 使用工厂方法 make_Type 构造对象(c++17 之前)

auto myPair = std::make_pair(42,"hello world"); 
//make_pair 是一个模板函数，
//编译器可根据输入的模板参数类型推导出模板函数的参数类型，
//不用写成std::make_pair<int,std::string>;


2. c++17对类模板进行类型推导
std::pair my_pair{12,"hello world"};  //推导为std::pair<int,std::string>
auto ptr = new std::pair{13,"hello world"}; // 推导为：std::pair<int,std::string>

//lock guard
std::mutex mtx;
std::lock_guard lck(mtx); //推导为：std::lock_guard<std::mutex>

//array
std::array arr{1,2,3}; //推导为：std::array<int,3>

//tuple
std::tuple t1{1,2,3};  //ok
std::tuple<int,int,int> t2{1,2,3}; // ok
std::tuple<int> t3{1,2,3};   //推导错误，模板参数类型要么写全，要么不写。

推导说明举例 std::array 的推导规则。

  template<typename _Tp, typename... _Up>
    array(_Tp, _Up...)
      -> array<enable_if_t<(is_same_v<_Tp, _Up> && ...), _Tp>,
	       1 + sizeof...(_Up)>;
//std::enable_if_t: std::enable_if<expression>::type
//std::is_same_v: std::is_same<T,U>::value
//sizeof...(_Up) 取size大小
//is_same_v<_Tp, _Up> && ... 右展开

2. 折叠表达式

C++ 17 对C++ 11中的可变参数模板进行了改进，使代码更加简洁易懂。

示例：

template<typename... PACK> //这里是模板可变参数，PACK是类型。

int subtractFold(int minuend, PACK... substahends){ //可变参数 substahends是可变参数包

return (minuend- ...-substahends); //带有初始值的左侧fold。minuend是初始值，substahends是参数包

}

调用：subtractFold(1000,1,2,3) 就是（（1000-1）-2）-3

//带初始值的右折叠（subtrahends-...-minuend）即 1000-(1-(2-3))

参见：c++代码示例查看模板编译后生成代码折叠可变参模板 - Bigben - 博客园 (cnblogs.com)

主要看省略号... 相对于可变参数包的位置，在左边叫左侧折叠。

（(a+b)+c)+d 左边括号用 ... 替换，变成了 ... 运算符参数包叫左侧折叠(fold)

a+ ... 即 a+(b+(C+D)) 即右侧折叠

对于加法这种满足交换律的谁先加无所谓，但是换了减法，那结果就不同了。

参考《c++代码整洁之道》第七章函数式编程

形式有两种，

1，2是不带初始值，一元运算符；

3，4是有初始值的二元运算符。

( 形参包 op … )
( … op 形参包 )
( 形参包 op … op 初值 )
( 初值 op … op 形参包 )

形参包 含未展开的形参包且其顶层不含有优先级低于转型的运算符的表达式

初值 不含未展开的形参包且其顶层不含有优先级低于转型的运算符的表达式

注意3，4只有这两种形式。即...必须位于中间，下面是不对的：

( op … op 初值形参包 )

示例

递归函数求和

c++17 之前可变参数模板

//对加法的空包进行定义 即对递归的出口定义
auto Sum(){//c++14 auto返回值
    return 0; 
}
template<typename T1,typename... T>
auto Sum(T1 s,T... ts){
    return s + sum(ts);
}

`c++17 之后可变参数模板`

auto Sum(){
//c++14 auto返回值
    return 0;
}
//1.( 形参包 op ... ) 
template<typename ...Args>auto Sum1(Args ...args){
    return (args + ...);//将args参数包里面第一个参数展开+后面的在括号内递归展开。 
//1+... => 1+(2+...) 
//看红色点点点被替换了。再变一步：1+（2+...) => 1+(2+())点点点用括号替换，
//以前的参数剩下是3，4，5，所以以前的...递归展开是 3+... 即 1+（2+（3+...））
}
//2. ( ... op 形参包 )
template<typename ...Args> auto Sum2(Args ...args){
    return (... + args);//后面的在括号内递归展开+第一个参数展开 
//递归就是这样变化
// （）               即（... + 5） 变成
// （（））            即（（...+4）+5） 变成
// （（（）））         即（（（...+3）+4）+5） 
//  （（（（））））     即（（（（...+2）+3）+4）+5）
//  （（（（（）））））  即（（（（（1）+2）+3）+4）+5）

}
//3. ( 形参包 op ... op 初值 )
template<typename ...Args> auto Sum3(Args ...args){
    return (args + ... + 0);//第一个args先拿出来，再后面的...要和0结合。
//1+（...+0）=>1+(2+(...+0)) => 
}
//4. ( 初值 op ... op 形参包 )
template<typename ...Args> auto Sum4(Args ...args){
    return (0 + ... + args);//（0+...）+5=》((0+...)+4)+5=>
}
auto res1 = Sum1(1,2,3,4,5); //展开为：Sum1(1 + (2 + (3 + ( 4 + 5))))
auto res2 = Sum2(1,2,3,4,5); //展开为：Sum2((((1 + 2) + 3) + 4) + 5);
auto res3 = Sum3(1,2,3,4,5); //展开为:Sum3(1 + (2 + (3 + (4 + (5 + 0)))))
auto res4 = Sum4(1,2,3,4,5); //展开为：Sum4(((((0 + 1) + 2) + 3) + 4) + 5)

将一元折叠用于零长包展开时，仅允许下列运算符。

逻辑与（&&），空包默认值为 true；

逻辑或（||），空包默认值为 false；

逗号运算符（,），空包默认值为 void()。

输出函数模板入参

template<typename ...Args> //定义了可变参数的类型
void PrintArgs(Args&&... args){ //定义函数，使用类型。这个&&是模板的完美转发，应用在模板参数上
    (std::cout << ... << std::forward<Args>(args)) << std::endl;
//这是个带初始值std::cout的，左展开折叠。因为...在参数包args的左面。
//所以展开为  cout<<args0先运算，然后再和 args1 做<<运算，即 （cout<<args0）<< args1 ，一次递归.......
} 

PrintArgs("hello","world",1,3,4); //输出参数无分隔:helloworld134 

//2. template<typename ...Args> void PrintArgs2(Args&&... args){

    //使用函数参数 Separator：
    auto Separator = [](const auto& v){//入参不一致，用auto进行推导
        std::cout << v << ' '; //以空格分隔
    };
    (..., Separator(std::forward<Args>(args)));//给Separator函数一个个传进去值！！！
}
PrintArgs2("hello","world",1,3,4);//输出：hello world 1 3 4

高阶函数：即可以传入函数参数
最重要的三种：
MAP: 对列表每个元素，应用传入函数。 std::transform
Filter: 对列表每个元素应用谓词，删除列表中返回值为true的元素。 std::remove_if
Reduce(fold): std::accumulate 对列表元素应用二元运算符。运算符可以自定义
   比如 accumulate(begin,end,init_value,binary_operator) 左折叠

accumulate(rbegin,rend,init_value,binary_operator) 右折叠

C++17: Simplify Code with Fold Expressions (qq.com)

本篇作为Understanding variadic templates的进阶内容，同时，Fold Expressions也是C＋＋17最常用的特性之一。

1 Fold Expressions的基本概念

C＋＋11中，参数包只能在需要参数列表的上下文展开，比如函数递归。而递归函数需要终止条件，因此往往需要提供一个同名的函数来终止递归。

举个例子：

1void print()
2{
3    std::cout << '\n';
4}
5
6template<typename F, typename... Args>
7void print(F first, Args... args)
8{
9    std::cout << first << ' ';
10    print(args...);
11}

我们无法在函数主体中展开，例如不能这样做：

1template<typename... Args>
2void print(Args... args)
3{
4 std::cout << ... << args << std::endl;
5}

但是可以通过逗号表达式和初始化列表在函数主体展开参数包。

例子如下：

1template<typename... T>
2void print(T&&... args)
3{
4    std::initializer_list<int>{([](const auto& t) {
5                std::cout << t << std::endl;
6        }(std::forward<T>(args)), 0)...};
7}

短短的一行代码中，便已使用了initializer list、lambda、perfect forwarding、comma operator等多种特性。

由于参数包只能在需要参数列表的上下文展开，因而不用递归，便需要一个支持可变参数的类型，initializer_list刚好满足条件。

此外，我们知道initializer_list只支持单类型，而需要处理的参数却是不同类型的，所以再借助逗号表达式来实现目的。

逗号表达式基于一个基本的事实，看如下代码：

1int a = 1;
2int b = 2;
3int c = 5;
4a = (a = b, c);

a最终的结果将为5，在逗号操作符所连接的表达式中，会从左往右依次执行。本例中，首先会执行(a = b)，然后返回c，所以a的值便为c的值。

依据这个事实可以在initializer_list中展开参数包，表面上是在初始化initializer_list，实际上是在初始化过程中利用逗号表达式展开参数包。

这样的代码写起来依旧麻烦，所以在C＋＋17，提供了Fold Expressions（折叠表达式），可以直接在函数主体中展开参数包。

可以简单地通过fold expression来改写上述例子：

1template<typename... Args>
2void print(Args... args)
3{
4 ((std::cout << args << ' '), ...);
5 std::cout << '\n';
6}

具体细节，见于下节。

2 Fold Expressions的细节疏理

Fold Expression的语法比较简单，可以直接参考cppreference。

语法分为一元操作和二元操作。pack指的就是参数包，op指的是操作类型，有一个op的是一元操作，两个op的是二元操作。

我们先来看一元操作，来写一个最简单的输出函数：

1template<typename... T>
2void print(T&&... args)
3{
4 (std::cout << ... << args) << '\n';
5}

这是使用的是第(2)个语法，即一元左折叠，需要注意的是：括号也是语法的一部分。

应该是第三个语法吧！！！！！！

因为cout输出后会返回一个ostream，所以可以不断输出所有参数，展开后的代码如下：

print(1, 2, 3, 4);
((((std::cout << 1) << 2) << 3) << 4) << '\n';

但是注意不能这样写：

std::cout << (args << ... << '\n');

这是右折叠，别忘了operator<<本义为左移操作符，所以执行结果会出人意料。

上述输出函数的缺点在于输出内容之间没有空格，若要在每个参数的输出之间加入空格，最简单的方式是借助逗号表达式，例子便是上节末尾的代码：

1template<typename... Args>
2void print(Args&&... args)
3{
4    ((std::cout << args << ' '), ...);
5    std::cout << '\n';
6}

当然还有其它的做法，若你想在处理参数之前或之后添加额外的操作，可以额外定义一个函数：

1template<typename F, typename... Args>
2void print(F first, const Args&... args)
3{
4    std::cout << first;
5    auto space = [](const auto& arg) {
6        std::cout << ' ' << arg;
7    };
8    (..., space(args));
9    std::cout << '\n';
10}

区别在于，第二种做法不支持0个参数，而逗号表达式可以支持，不过小做修改便可支持：

1template<typename... Args>
2void printer(const Args&... args)
3{
4    auto space = [](const auto& arg) {
5        std::cout << arg << ' ';
6    };
7
8    (..., space(args));
9    std::cout << '\n';
10}

但是不是任何时候都可折叠0个参数的，比如：

1template<typename... Args>
2auto sum(Args... args)
3{
4 return (... + args);
5}

这是个求和函数，它必须要返回一个值，所以0参时会报错。

这种情况就应该使用二元折叠，你可以翻回本节头部去查看二元的语法，其中的init的意思就是初始值，面对0参时依旧可以运行。

因此例子可以更改为：

1template<typename... Args>
2auto sum(Args... args)
3{
4    // binary left fold
5    return (0 + ... + args);
6
7    // binary right fold
8    //return (args + ... + 0);
9}

这里使用了二元左折叠，在这种情况下和二元右折叠没有区别，但一般都优先使用左折叠。

假如我们要相加字符串，那么左折叠与右折叠便有差异了。

重写一个例子用来连接字符串：

1template<typename... Args>
2auto strcat(Args&&... args)
3{
4 // unary left fold
5 return (... + args);
6}

若像下面这样调用：

std::cout << strcat(std::string{"Have"}, "a", "nice", "day!") << '\n';

输出结果将为：

空格问题暂且不论。现在若把参数调用的顺序稍微切换，

std::cout << strcat("Have", "a", "nice", std::string("day!")) << '\n';

便是完全不同的结果：

现在编译不过了。

这是由于原生字符串不支持operator+，第一个调用中将string放在首位，因为它内部重载了operator+，所以可以进行加法，之后会返回一个string，遂可将所有参数组成完整的字符串。

而第二个调用中，string处于尾部，而实现却为一元左折叠，由于前面的参数不支持operator+而编译出错。

只需将strcat改为一元右折叠便能编译第二个调用，但此时又无法支持第一个调用。

解决之道如下：

template<typename... Args>
auto strcat(Args&&... args)
{
// unary left fold
return ((std::string{} + args + " ") + ...);
}

对于每一个字符串，都在开头添加一个空string，这样就能针对所有形式。

3 Filter Fold Expressions

若你想对解包结果添加约束，可以组合逗号表达式和逻辑运算符（&&, ||, !）使用来添加过滤。

举个例子，若想写一个只打印偶数的输出函数，可以这样编写：

1#include <iostream>
2
3template<typename... Args>
4void print_even_number(Args... args)
5{
6    bool b = false;
7    ((b = [](int arg) { return arg % 2 == 0; }(args) && (std::cout << args << ' ')), ...);
8    std::cout << '\n';
9}
10
11int main()
12{
13    print_even_number(1, 2, 3, 4, 5, 6, 12, 11, 18, 19);
14
15    return 0;
16}

输出结果为：

给了一个未使用变量警告，可以使用C++17的[[maybe_unused]]特性来消除。

bool b [[maybe_unused]] = false;

此外，还可以结合type traits来使用，比如我们想实现一个判断容器类型是否一致的功能，可以这样编写：

template<typename H, typename... Ts>
struct is_same_type {
static constexpr bool value = (std::is_same_v<H, Ts> && ...);
};

// will be true
is_same_type<int, int, decltype(3)>::value;

标准中的array就使用了这个技巧来判断类型是否一致。

4 编译期排序

Fold Expression也可以和一些算法结合起来使用。

这里有个来自网络的编译期排序例子，可以参考一二。

1#include <iostream>
2#include <array>
3#include <utility>
4
5template<typename Values> struct SortImpl;
6
7template<typename I, I... values>
8constexpr auto sort(std::integer_sequence<I, values...> sequence)
9{
10    return SortImpl<decltype(sequence)>::sort();
11}
12
13template<typename I, I... values>
14struct SortImpl<std::integer_sequence<I, values...>>
15{
16    static constexpr auto sort() {
17        // 创建4位索引序列
18        return sort(std::make_index_sequence<sizeof...(values)>{});
19    }
20
21    template<std::size_t... index>
22    static constexpr auto sort(std::index_sequence<index...>) {
23        // 创建integer_sequence，用于返回排序好的结果
24        return std::integer_sequence<I, ith<index>()...>{};
25    }
26
27    template<std::size_t i>
28    static constexpr auto ith() {
29        I result{};
30
31        // 利用rankOf计算当前数值所应排列的位置，再和索引比较，相同则返回对应的数值
32        ((i >= rankOf<values>() && i < rankOf<values>() + count<values>()
33                ? result = values : I{}), ...);
34        return result;
35    }
36
37    template<I x> // 排序位置，例如第一次调用：(0 > 5) + (0 > 2) + (0 > 2) == 0，则应排第0个
38    static constexpr auto rankOf() { return ((x > values) + ...); }
39
40    template<I x> // 计算相同数值的个数
41    static constexpr auto count() { return ((x == values) + ...); }
42};
43
44template<typename I, I... values>
45constexpr auto toArray(std::integer_sequence<I, values...>)
46{
47    // 转换成数组，以便输出
48    return std::array<I, sizeof...(values)> { values... };
49}
50
51int main()
52{
53    auto y = toArray(sort(std::index_sequence<0, 5, 2, 2>{}));
54
55    for(auto& elem : y) {
56        std::cout << elem << ' ';
57    }
58    std::cout << '\n';
59
60    return 0;
61}

关键位置我已经提供了注释，主要是利用了integer_sequence和fold expression，前者用于提供索引，后者用于找出该索引所应对应的值的位置和计算重复次数，索引与位置重复次数一比较，就能找到索引对应的值。

运行结果如下：

5 Pretty-print std::tuple

我们还可以利用fold expressions来方便地打印tuple的元素，例子如下：

1#include <iostream>
2#include <tuple>
3#include <utility>
4
5template<typename T, std::size_t... Is>
6void print_tuple(const T& tup, std::index_sequence<Is...>)
7{
8    std::cout << "(";
9    (..., (std::cout << (Is == 0 ? "" : ", ") << std::get<Is>(tup)));
10    std::cout << ")\n";
11}
12
13template<typename... T>
14void print_tuple(const std::tuple<T...>& tup)
15{
16    print_tuple(tup, std::make_index_sequence<sizeof...(T)>());
17}
18
19int main()
20{
21    print_tuple(std::make_tuple("apple", "pineapple", "cherry", "lemon", "mango"));
22
23    return 0;
24}

输出如下：

std::tuple提供的get<I>(tup)是编译期的，若需要运行期访问tuple，也很简单，代码如下：

1template<typename T, std::size_t... Is>
2void get_tuple(std::size_t i, const T& tup, std::index_sequence<Is...>)
3{
4    (..., ((Is == i) && (std::cout << std::get<Is>(tup))));
5    std::cout << '\n';
6}
7
8template<typename... T>
9void get_tuple(std::size_t i, const std::tuple<T...>& tup)
10{
11    get_tuple(i, tup, std::make_index_sequence<sizeof...(T)>());
12}
13
14// call
15auto tup = std::make_tuple("apple", "pineapple", "cherry", "lemon", "mango");
16get_tuple(1, tup);

输出如下：

6 折叠函数调用

Fold expression也可以用折叠访问任意基类的共有成员，一个小例子：

1#include <iostream>
2
3template<typename... Bases>
4struct Foo : private Bases...
5{
6    void print() {
7        (..., Bases::print());
8    }
9};
10
11struct A {

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