decltype 用于递归可变参数函数模板的返回类型

Question

给出以下代码（取自here）：

#include <cstddef>
#include <type_traits>
#include <tuple>
#include <iostream>
#include <utility>
#include <functional>

template<typename ... Fs>
struct compose_impl
{
    compose_impl(Fs&& ... fs) : functionTuple(std::forward_as_tuple(fs ...)) {}

    template<size_t N, typename ... Ts>
    auto apply(std::integral_constant<size_t, N>, Ts&& ... ts) const
    {
        return apply(std::integral_constant<size_t, N - 1>(), std::get<N>  (functionTuple)(std::forward<Ts>(ts)...));
    }

    template<typename ... Ts>
    auto apply(std::integral_constant<size_t, 0>, Ts&& ... ts) const
    {
        return std::get<0>(functionTuple)(std::forward<Ts>(ts)...);
    }

    template<typename ... Ts>
    auto operator()(Ts&& ... ts) const
    {
         return apply(std::integral_constant<size_t, sizeof ... (Fs) - 1>(), std::forward<Ts>(ts)...);
    }

    std::tuple<Fs ...> functionTuple;
};

template<typename ... Fs>
auto compose(Fs&& ... fs)
{
     return compose_impl<Fs ...>(std::forward<Fs>(fs) ...);
}

int main ()
{
    auto f1 = [](std::pair<double,double> p) {return p.first + p.second;    };
    auto f2 = [](double x) {return std::make_pair(x, x + 1.0); };
    auto f3 = [](double x, double y) {return x*y; };
    auto g = compose(f1, f2, f3);

    std::cout << g(2.0, 3.0) << std::endl;   //prints '13', evaluated as (2*3) + ((2*3)+1)
    return 0;
}

上面的代码在 C++14 中工作。我在使它适用于 C++11 时遇到了一些麻烦。我尝试为所涉及的函数模板正确提供返回类型，但没有取得多大成功，例如：

template<typename... Fs>
struct compose_impl
{
    compose_impl(Fs&&... fs) : func_tup(std::forward_as_tuple(fs...)) {}

    template<size_t N, typename... Ts>
    auto apply(std::integral_constant<size_t, N>, Ts&&... ts) const -> decltype(std::declval<typename std::tuple_element<N, std::tuple<Fs...>>::type>()(std::forward<Ts>(ts)...))
    // -- option 2. decltype(apply(std::integral_constant<size_t, N - 1>(), std::declval<typename std::tuple_element<N, std::tuple<Fs...>>::type>()(std::forward<Ts>(ts)...)))
    {
         return apply(std::integral_constant<size_t, N - 1>(), std::get<N>(func_tup)(std::forward<Ts>(ts)...));
    }

    using func_type = typename std::tuple_element<0, std::tuple<Fs...>>::type;
    template<typename... Ts>
    auto apply(std::integral_constant<size_t, 0>, Ts&&... ts) const -> decltype(std::declval<func_type>()(std::forward<Ts>(ts)...))
    {
        return std::get<0>(func_tup)(std::forward<Ts>(ts)...);
    }

    template<typename... Ts>
    auto operator()(Ts&&... ts) const -> decltype(std::declval<func_type>()(std::forward<Ts>(ts)...))
    // -- option 2. decltype(apply(std::integral_constant<size_t, sizeof...(Fs) - 1>(), std::forward<Ts>(ts)...))
    {
        return apply(std::integral_constant<size_t, sizeof...(Fs) - 1>(), std::forward<Ts>(ts)...);
    }

    std::tuple<Fs...> func_tup;
};

template<typename... Fs>
auto compose(Fs&&... fs) -> decltype(compose_impl<Fs...>(std::forward<Fs>(fs)...))
{
   return compose_impl<Fs...>(std::forward<Fs>(fs)...);
}

对于上述 clang(3.5.0) 给我以下错误：

func_compose.cpp:79:18: error: no matching function for call to object of type 'compose_impl<(lambda at func_compose.cpp:65:15) &, (lambda at func_compose.cpp:67:15) &,
  (lambda at func_compose.cpp:68:15) &>'
std::cout << g(2.0, 3.0) << std::endl;   //prints '13', evaluated as (2*3) + ((2*3)+1)
             ^
 func_compose.cpp:31:10: note: candidate template ignored: substitution failure [with Ts = <double, double>]: no matching function for call to object of type
  '(lambda at func_compose.cpp:65:15)'
 auto operator()(Ts&&... ts) /*const*/ -> decltype(std::declval<func_type>()(std::forward<Ts>(ts)...))
     ^                                            ~~~
1 error generated.

如果我尝试“选项 2”。我得到了几乎相同的错误。

除了它看起来非常冗长之外，我似乎也无法正确理解它。谁能提供一些关于我做错了什么的见解？ 有没有更简单的方法来提供返回类型？

Answer 1

第一个选项的错误消息是由于

std::declval<func_type>()(std::forward<Ts>(ts)...)

你正试图用两个 double 类型的参数（传递给 operator() 的参数）调用 f1 函子，但它需要一个 std::pair（func_type 指第一个的类型元组中的函子）。

关于选项 2，它不编译的原因是尾随返回类型是函数声明符的一部分，并且直到看到声明符的末尾才认为函数已声明，因此您不能使用 @ apply 的第一个声明的尾随返回类型中的 987654329@。

---

我相信您现在很高兴知道为什么您的代码无法编译，但我想如果您有一个可行的解决方案，您会更高兴。

我认为首先需要澄清一个基本事实：compose_impl 中 apply 和 operator() 模板的所有特化 具有相同的返回类型 - 的返回类型第一个函子，在本例中为 f1。

有几种方法可以获取该类型，但以下是快速破解方法：

#include <cstddef>
#include <type_traits>
#include <tuple>
#include <iostream>
#include <utility>
#include <functional>

template<typename> struct ret_hlp;

template<typename F, typename R, typename... Args> struct ret_hlp<R (F::*)(Args...) const>
{
    using type = R;
};

template<typename F, typename R, typename... Args> struct ret_hlp<R (F::*)(Args...)>
{
    using type = R;
};

template<typename ... Fs>
struct compose_impl
{
    compose_impl(Fs&& ... fs) : functionTuple(std::forward_as_tuple(fs ...)) {}

    using f1_type = typename std::remove_reference<typename std::tuple_element<0, std::tuple<Fs...>>::type>::type;
    using ret_type = typename ret_hlp<decltype(&f1_type::operator())>::type;

    template<size_t N, typename ... Ts>
    ret_type apply(std::integral_constant<size_t, N>, Ts&& ... ts) const
    {
        return apply(std::integral_constant<size_t, N - 1>(), std::get<N>  (functionTuple)(std::forward<Ts>(ts)...));
    }

    template<typename ... Ts>
    ret_type apply(std::integral_constant<size_t, 0>, Ts&& ... ts) const
    {
        return std::get<0>(functionTuple)(std::forward<Ts>(ts)...);
    }

    template<typename ... Ts>
    ret_type operator()(Ts&& ... ts) const
    {
         return apply(std::integral_constant<size_t, sizeof ... (Fs) - 1>(), std::forward<Ts>(ts)...);
    }

    std::tuple<Fs ...> functionTuple;
};

template<typename ... Fs>
compose_impl<Fs ...> compose(Fs&& ... fs)
{
     return compose_impl<Fs ...>(std::forward<Fs>(fs) ...);
}

int main ()
{
    auto f1 = [](std::pair<double,double> p) {return p.first + p.second;    };
    auto f2 = [](double x) {return std::make_pair(x, x + 1.0); };
    auto f3 = [](double x, double y) {return x*y; };
    auto g = compose(f1, f2, f3);

    std::cout << g(2.0, 3.0) << std::endl;   //prints '13', evaluated as (2*3) + ((2*3)+1)
    return 0;
}

注意事项：

• 它可以在 C++11 模式下的 GCC 4.9.1 和 Clang 3.5.0 以及 Visual C++ 2013 上编译和运行。
• 正如所写，ret_hlp 仅处理声明其 operator() 的函数对象类型，类似于 lambda 闭包类型，但它可以轻松扩展到几乎任何其他内容，包括普通函数类型。
• 我尽量少改动原代码；我认为关于该代码需要提到一个重要的一点：如果给compose 提供左值参数（如本例所示），compose_impl 内的functionTuple 将存储这些参数的引用 .这意味着只要使用复合函子，原始函子就必须可用，否则您将有悬空引用。

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编辑：根据评论中的要求，这是关于最后一个注释的更多信息：

这种行为是由于转发引用的工作方式 - compose 的 Fs&& ... 函数参数。如果您有一个 F&& 形式的函数参数，正在对其进行模板参数推导（就像这里一样），并且为该参数提供了一个 A 类型的参数，那么：

• 如果参数表达式是一个右值，F 被推导出为A，并且，当替换回函数参数时，它给出A&&（例如，这会发生如果您将 lambda 表达式 直接 作为参数传递给 compose);
• 如果参数表达式是一个左值，F 被推导出为A&，并且，当替换回函数参数时，它给出A& &&，根据它产生A& reference collapsing 规则（这是当前示例中发生的情况，因为 f1 和其他都是左值）。

因此，在当前示例中，compose_impl 将使用推导出的模板参数进行实例化，例如（使用 lambda 闭包类型的发明名称）

compose_impl<lambda_1_type&, lambda_2_type&, lambda_3_type&>

这反过来会使functionTuple 具有类型

std::tuple<lambda_1_type&, lambda_2_type&, lambda_3_type&>

如果您将 lambda 表达式直接作为参数传递给 compose，那么根据上述情况，functionTuple 将具有类型

std::tuple<lambda_1_type, lambda_2_type, lambda_3_type>

因此，只有在后一种情况下，元组才会存储函数对象的副本，从而使组合的函数对象类型自包含。

现在，这不是好坏的问题；这是一个你想要什么的问题。

如果您希望组合对象始终是自包含的（存储仿函数的副本），那么您需要摆脱这些引用。一种方法是使用std::decay，因为它不仅仅是删除引用——它还处理函数到指针的转换，如果你想扩展compose_impl 以便能够处理普通的功能。

最简单的方法是更改​​functionTuple 的声明，因为它是您在当前实现中唯一关心引用的地方：

std::tuple<typename std::decay<Fs>::type ...> functionTuple;

结果是函数对象将始终在元组内被复制或移动，因此即使在原始组件被破坏后，生成的组合函数对象也可以使用。

哇，这太长了；也许你不应该说“精心制作”:-)。

---

编辑 2 来自 OP 的第二条评论：是的，代码原样，没有 std::decay （但扩展为正确确定 ret_type 用于普通函数参数，如你所说）将处理普通函数，但是小心：

int f(int) { return 7; }

int main()
{
    auto c1 = compose(&f, &f); //Stores pointers to function f.
    auto c2 = compose(f, f); //Stores references to function f.
    auto pf = f; //pf has type int(*)(int), but is an lvalue, as opposed to &f, which is an rvalue.
    auto c3 = compose(pf, pf); //Stores references to pointer pf.
    std::cout << std::is_same<decltype(c1.functionTuple), std::tuple<int(*)(int), int(*)(int)>>::value << '\n';
    std::cout << std::is_same<decltype(c2.functionTuple), std::tuple<int(&)(int), int(&)(int)>>::value << '\n';
    std::cout << std::is_same<decltype(c3.functionTuple), std::tuple<int(*&)(int), int(*&)(int)>>::value << '\n';
}

c3 的行为可能不是您想要的或人们所期望的。更不用说所有这些变体可能会混淆您确定ret_type 的代码。

使用std::decay，所有三个变体都存储指向函数f的指针。