C++17之折叠表达式

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目录

1.介绍

2.应用

2.1.使用折叠表达式

2.2.支持的运算符

2.3.使用折叠处理类型

3.总结

1.介绍

        折叠表达式是C++17新引进的语法特性。使用折叠表达式可以简化对C++11中引入的参数包的处理，从而在某些情况下避免使用递归。折叠表达式共有四种语法形式。分别为一元的左折叠和右折叠，以及二元的左折叠和右折叠。

1、一元右折叠(unary right fold)
　　( pack op ... )
　　一元右折叠(E op ...)展开之后变为 E1 op (... op (EN-1 op EN))
2、一元左折叠(unary left fold)
　　( ... op pack )
　　一元左折叠(... op E)展开之后变为 ((E1 op E2) op ...) op EN
3、二元右折叠(binary right fold)
　　( pack op ... op init )
　　二元右折叠(E op ... op I)展开之后变为 E1 op (... op (EN−1 op (EN op I)))
4、二元左折叠(binary left fold)
　　( init op ... op pack )

        二元左折叠(I op ... op E)展开之后变为 (((I op E1) op E2) op ...) op EN

op代表运算符：下列 32 个二元运算符之一：+ - * / % ^ & | = < > << >> += -= *= /= %= ^= &= |= <<= >>= == != <= >= && || , .* ->*。在二元折叠中，两个运算符必须相同。

pack代表参数包：含有未展开的形参包且在顶层不含优先级低于转型（正式而言，是 转型表达式）的运算符的表达式。

init代表初始值：不含未展开的形参包且在顶层不含优先级低于转型（正式而言，是 转型表达式）的运算符的表达式注意开闭括号也是折叠表达式的一部分。

这里的括号是必需的。但是，圆括号和省略号(...)不必用空格分隔。

初始值在右边的为右折叠，展开之后从右边开始折叠。而初始值在左边的为左折叠，展开之后从左边开始折叠。
不指定初始值的为一元折叠表达式，而指定初始值的为二元折叠表达式。

例如：

template<typename... Args>
bool all(Args... args) { return (... && args); }
template<typename... Args>
bool any(Args... args) {return  (... || args);}bool b = all(true, true, true, false);
// 在 all() 中，一元左折叠展开成
//  return ((true && true) && true) && false;
// b 是 false

将一元折叠用于长度为零的包展开时，只能使用下列运算符：
1) 逻辑与（&&）。空包的值是 true
2) 逻辑或（||）。空包的值是 false
3) 逗号运算符（,）。空包的值是 void()

注意：如果用作初值或形参包 的表达式在顶层具有优先级低于转型的运算符，那么它可以加括号，如：

template<typename... Args>
int sum(Args&&... args)
{
//  return (args + ... + 1 * 2);   // 错误：优先级低于转型的运算符return (args + ... + (1 * 2)); // OK
}

2.应用

2.1.使用折叠表达式

下面的函数返回所有传递参数的和:

#include <iostream>
#include <string>//[1]
template<typename First>  
First foldSum1(First&& value)  
{  return value;  
}//[2]
template<typename First, typename... Rest>  
First foldSum1(First&& first, Rest&&... rest)  
{  return first + foldSum1(std::forward<Rest>(rest)...);  
}//[3]
template<typename... T>
auto foldSum2(T... args)
{return (... + args); // ((arg1 + arg2) + arg3) ...
}//[4]
template<typename First, typename... Rest>  
First foldSum3(First&& first, Rest&&... rest)  
{  return (first + ... + rest);  
}int main(void)
{auto i1 = foldSum1(58, 25, 128, -10);  //201auto s1 = foldSum1(std::string("abcdefg "), std::string("1234567890 "), std::string("!"));//"abcdefg 1234567890 !"auto i2 = foldSum2(58, 25, 128, -10);  //201auto s2 = foldSum2(std::string("abcdefg "), std::string("1234567890 "), std::string("!"));//"abcdefg 1234567890 !"auto i3 = foldSum3(58, 25, 128, -10);  //201auto s3 = foldSum3(std::string("abcdefg "), std::string("1234567890 "), std::string("!"));//"abcdefg 1234567890 !"return 0;
}

1）在C++17之前，求和函数foldSum1的实现必须分成两个部分。其中[1]部分的foldSum1函数用于处理一个参数的情况。[2]部分的foldSum1函数用于处理两个及以上参数的情况。当参数个数大于一个时，[2]部分的foldSum1函数将前两个参数相加，然后递归调用自身。当参数个数只有一个时，[1]部分的foldSum1函数将此参数返回，完成求和。foldSum1(58, 25, 128, -10) = 58+foldSum1(25, 128, -10) = 58+25+foldSum1(128, -10) = 58+25+128+foldSum1(-10) = 58+25+128-10 = 201。

2）而在C++17之后，由于有了折叠表达式这个新特性，求和函数foldSum1不再需要处理特殊情况，实现大为简化。对于foldSum2(58, 25, 128, -10) = (((58+25)+128) -10) = 201。

还请注意，折叠表达式参数的顺序可能不同，而且很重要:

(... + args)

的结果是

((arg1 + arg2) + arg3) ...

也可以如：

(args + ...)

其结果是

(arg1 + (arg2 + arg3)) ...

上面foldSum2定义的函数不允许在添加值时传递空参数包，像下面调用会出现错误：

 于是可改为：

//[3]
template<typename... T>
auto foldSum2(T... args)
{return (0 + ... + args); // ((arg1 + arg2) + arg3) ...
}

从概念上讲，我们添加0作为第一个操作数还是最后一个操作数并不重要:

//[3]
template<typename... T>
auto foldSum2(T... args)
{return (args + ... + 0); // ((arg1 + arg2) + arg3) ...
}

但是对于一元折叠表达式求值顺序很重要。对于二元折叠表达式也应该优选左折叠表达式：

(val + ... + args); // preferred syntax for binary fold expressions

2.2.支持的运算符

在C++中，除了以下二元运算符，所有的二元操作符都可以使用折叠表达式。如下所示：. 、 ->、 []。叠表达式可以使用逗号运算符，这样就可以在一行调用多个函数，如：

#include <iostream>
using namespace std;template<typename... Ts>
void printAll(Ts&&... mXs)
{(cout << ... << mXs) << endl;
}template<typename TF, typename... Ts>
void forArgs(TF&& mFn, Ts&&... mXs)
{(mFn(mXs), ...);
}int main()
{printAll(78, 7811.0, "6789"); //7878116789printAll(); // 空行forArgs([](auto a){cout << a;}, 78, 7811.0, "6789"); //7878116789forArgs([](auto a){cout << a;}); // 空操作return 0;
}

1)  printAll函数实现了对不特定多数值的打印输出。该函数的实现采用了二元左折叠。

printAll(78, 7811.0, "6789")
= (cout << ... << pack(78, 7811.0, "6789") << endl
= ((cout << 78) << 7811.0) << "6789" << endl
= 打印7878116789并换行

2) 当二元折叠表达式的参数包为空时，其计算结果为该二元折叠表达式中所预设的初始值。

printAll()
= (cout << ... << pack()) << endl
= cout << endl
= 空行

3）forArgs函数实现了依次使用多个参数调用某个单参数函数的功能。该函数的实现采用了一元右折叠。

forArgs([](auto a){cout << a;}, 78, 7811.0, "6789")
= ([](auto a){cout << a;}(pack(78, 7811.0, "6789")), ...)
= [](auto a){cout << a;}(78), ([](auto a){cout << a;}(7811.0), ([](auto a){cout << a;}("6789")))
= 打印7878116789

4）当使用逗号的一元折叠表达式中的参数包为空时，其计算结果为标准规定的缺省值void()。

forArgs([](auto a){cout << a;})
= ([](auto a){cout << a;}(pack()), ...)
= void()

上面是将折叠应用在函数中，下面将讨论将折叠使用在类中，作为类的基类进行调用

template<typename... T>
class MultiT : private T...
{
public:
void print() 
{(..., T::print());
}
};
class CTest1 {
public:void print() { std::cout << "CTest1::print()"<<std::endl; }
};
class CTest2 {
public:   void print() { std::cout << "CTest2::print()"<<std::endl; }
};
class CTest3 {
public:   void print() { std::cout << "CTest3::print()"<<std::endl; }
};int main()
{MultiT<CTest1,CTest2,CTest2> myTest;myTest.print();//输出结果为：CTest1::print() CTest2::print() CTest3::print()return 0;
}

使用折叠表达式将其展开，以便为每个基类调用print。也就是说，折叠表达式的语句扩展为:

(CTest1::print() , CTest2::print()) , CTest3::print();

但是，请注意，由于逗号运算符的性质，我们使用左折叠运算符还是右折叠运算符并不重要。函数总是从左到右调用。

(T::print() , ...);

括号只对调用进行分组，以便第一个print()调用与其他两个print()调用的结果组合在一起，如下所示:

CTest1::print() , (CTest2::print() , CTest3::print());

但是因为逗号运算符的求值顺序总是从左到右仍然是第一个调用CTest1::print()发生在括号内的两个调用组(CTest2::print(), CTest3::print())之前，其中中间调用CTest2::print()仍然发生在右边调用CTest3::print()之前。然而，由于左折叠表达式与结果的计算顺序相匹配，所以当将左折叠表达式用于多个函数调用时，再次建议使用它们。

2.3.使用折叠处理类型

通过使用类型特征，可以判断类或者函数中传入的参数类型是否相同,如：

template<typename T1, typename... TN>
constexpr bool isHomogeneous(T1, TN...)
{return (std::is_same_v<T1, TN> && ...);
}
int main()
{std::cout<<boolalpha<<isHomogeneous(12,4434,true)<<std::endl; //输出：falsereturn 0;
}

上面函数调用isHomogeneous(12,4434,true)，返回的表达式扩展为：

std::is_same_v<int, int> && std::is_same_v<int, bool>

结果为假，而对：

isHomogeneous("q24214", "", "c3252352", "!");

来说结果为真，因为所有传入的实参类型被推导为const char*（注意，实参类型会退化，因为调用实参是按值传递的）。

3.总结

        折叠表达式是一个强大的工具，但也需要谨慎使用。它可以使代码更简洁、更易于阅读，但也可能会使代码更难以理解。在使用折表达式之前，确保你理解了它的工作原理，并考虑是否有其他更直观的方法可以达到相同的效果。

参考：折叠表达式(C++17 起) - cppreference.com

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