为什么 C++ 元组如此奇怪？

Question

我通常在将不同类型的值分组在一起时创建自定义structs。这通常很好，我个人发现命名成员访问更容易阅读，但我想创建一个更通用的 API。在其他语言中广泛使用元组后，我想返回 std::tuple 类型的值，但发现在 C++ 中使用它们比在其他语言中更难看。

为了使元素访问使用整数值模板参数，get 做了哪些工程决策，如下所示？

#include <iostream>
#include <tuple>

using namespace std;

int main()
{
    auto t = make_tuple(1.0, "Two", 3);
    cout << "(" << get<0>(t) << ", " 
                << get<1>(t) << ", " 
                << get<2>(t) << ")\n";
}

而不是像下面这样简单的东西？

t.get(0)

或

get(t,0)

有什么优势？我只看到了问题：

• 这样使用模板参数看起来很奇怪。我知道模板语言是图灵完备的，但仍然......
• 如果范围太大，它会使通过运行时生成的索引编制索引变得困难（例如，对于一个小的有限范围索引，我已经看到代码对每种可能性都使用 switch 语句）或者不可能。

编辑：我已接受答案。现在我已经考虑了语言需要知道什么以及什么时候需要知道，我认为它确实有意义。

Answer 1

你说的第二个：

这使得通过运行时生成的索引进行索引变得困难（例如，对于一个小的有限范围索引，我已经看到代码对每种可能性都使用 switch 语句）或者如果范围太大则不可能。

C++ 是一种强 静态类型语言，必须决定所涉及的类型compile-time

所以函数为

template <typename ... Ts>
auto foo (std::tuple<Ts...> const & t, std::size_t index)
 { return get(t, index); }

不可接受，因为返回的类型取决于运行时值index。

采用的解决方案：将索引值作为编译时值传递，作为模板参数传递。

如您所知，我想，std::array 的情况完全不同：您有一个接收运行时索引值的get()（方法at()，或operator[]）：在std::array 中，值类型不依赖于索引。

Answer 2

std::get<N> 中要求模板参数的“工程决策”比您想象的要深得多。您正在查看 static 和 dynamic 类型系统之间的区别。我推荐阅读https://en.wikipedia.org/wiki/Type_system，但这里有几个要点：

• 在静态类型中，变量/表达式的类型必须在编译时知道。在这种情况下，std::tuple<int, std::string> 的 get(int) 方法不能存在，因为在编译时无法知道 get 的参数。另一方面，由于模板参数必须在编译时已知，因此在这种情况下使用它们非常有意义。

• C++ 也具有多态类形式的动态类型。这些利用运行时类型信息 (RTTI)，会带来性能开销。 std::tuple 的正常用例不需要动态类型，因此它不允许这样做，但 C++ 为这种情况提供了其他工具。
  例如，虽然您不能拥有一个包含int 和std::string 混合的std::vector，但您完全可以拥有一个std::vector<Widget*>，其中IntWidget 包含一个int，而StringWidget 包含一个@ 987654334@，只要两者都派生自 Widget。假设，说，

  struct Widget {
     virtual ~Widget();
     virtual void print();
  };
  

  您可以在向量的每个元素上调用print，而无需知道其确切（动态）类型。

Answer 3

• 看起来很奇怪

这是一个弱论点。外观是一个主观问题。

函数参数列表根本不是编译时需要的值的选项。

• 这使得通过运行时生成的索引进行索引变得困难

无论如何，运行时生成索引都很困难，因为 C++ 是一种静态类型语言，没有运行时反射（甚至编译时反射）。考虑以下程序：

std::tuple<std::vector<C>, int> tuple;
int index = get_at_runtime();
WHATTYPEISTHIS var = get(tuple, index);

get(tuple, index) 的返回类型应该是什么？你应该初始化什么类型的变量？它不能返回一个向量，因为index 可能是 1，它不能返回一个整数，因为index 可能是 0。所有变量的类型在 C++ 编译时是已知的。

当然，C++17 引入了std::variant，在这种情况下这是一个潜在的选择。元组是在 C++11 中引入的，这不是一个选项。

如果您需要元组的运行时索引，您可以编写自己的get 函数模板，该模板采用元组和运行时索引并返回std::variant。但是使用变体并不像直接使用类型那么简单。这就是将运行时类型引入静态类型语言的成本。

Answer 4

请注意，在 C++17 中，您可以使用 structured binding 使这一点更加明显：

#include <iostream>
#include <tuple>

using namespace std;

int main()
{
    auto t = make_tuple(1.0, "Two", 3);
    const auto& [one, two, three] = t;
    cout << "(" << one << ", " 
                << two << ", " 
                << three << ")\n";
}