模板参数包访问第 N 个类型和第 N 个元素

Question

以下论文是我找到的关于模板参数包的第一个提案。

http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2004/n1603.pdf

在第 16 页，它谈到了引入两个新的运算符 [] 和 来访问参数包元素和参数包类型。

The suggested syntax for such an operator involves two new operators: .[] to access values and .<> to access types. For instance:

template<int N, typename Tuple> struct tuple_element;
template<int N, ... Elements>
struct tuple_element<tuple<Elements...> >
{
    typedef Elements.<N> type;
};

template<int N, ... Elements>
Elements.<N>& get(tuple<Elements...>& t)
{ return t.[N]; }

template<int N, ... Elements>
const Elements.<N>& get(const tuple<Elements...>& t)
{ return t.[N]; }

那么这些运算符在哪里？如果没有，他们的替代品是什么？

Answer 1

C++11 没有相应的运算符，这就是它们被提出的原因。使用 C++11，您需要自己提取相应的信息，或者使用已经完成必要操作的类。最简单的方法可能就是使用已经实现了相应逻辑的std::tuple<T...>。

如果您想知道std::tuple<T...> 目前是如何实现这些操作的：它基本上是一个使用相当糟糕的函数式编程符号的函数式编程练习。一旦您知道如何获取序列的n-th 类型，使用从索引和类型参数化的基类继承来获取n-th 元素就相当简单了。实现类似tuple_element<N, T...> 的东西可能看起来像这样：

template <int N, typename... T>
struct tuple_element;

template <typename T0, typename... T>
struct tuple_element<0, T0, T...> {
    typedef T0 type;
};
template <int N, typename T0, typename... T>
struct tuple_element<N, T0, T...> {
    typedef typename tuple_element<N-1, T...>::type type;
};

在实现std::tuple<T...> 之类的东西时，实际更具挑战性的一点是变出一个索引列表，这样你就可以得到一个类型和整数的并行列表，然后可以对其进行扩展，例如，对于使用类似 (内部细节看起来如何会有所不同，但为类型及其索引提供并行参数包的基本思想会以某种方式存在）：

template <typename... T, int... I>
class tuple_base<tuple_types<T...>, tuple_indices<I...>>:
     public tuple_field<T, I>... {
};

Answer 2

其他人已经回答可以通过std::tuple完成。如果您想访问第 N 种类型的参数包，您可能会发现以下元函数很方便：

template<int N, typename... Ts> using NthTypeOf =
        typename std::tuple_element<N, std::tuple<Ts...>>::type;

用法：

using ThirdType = NthTypeOf<2, Ts...>;

Answer 3

要从包中获取第 N 个元素，您可以编写：

选项 1

使用 tuple_element 获取第 N 个元素的返回类型：

template<size_t index, typename T, typename... Ts>
inline constexpr typename enable_if<index==0, T>::type
get(T&& t, Ts&&... ts) {
    return t;
}

template<size_t index, typename T, typename... Ts>
inline constexpr typename enable_if<(index > 0) && index <= sizeof...(Ts),
          typename tuple_element<index, tuple<T, Ts...>>::type>::type
get(T&& t, Ts&&... ts) {
    return get<index-1>(std::forward<Ts>(ts)...);
}

// below is optional - just for getting a more readable compilation error
// in case calling get with a bad index

inline template<long long index, typename... Ts>
constexpr bool index_ok() {
    return index >= 0 && index < sizeof...(Ts);
}

template<long long index, typename T, typename... Ts>
inline constexpr
typename enable_if<!index_ok<index, T, Ts...>(), T>::type
get(T&& t, Ts&&... ts) {
    static_assert(index_ok<index, T, Ts...>(),
        "bad index in call to get, smaller than zero or above pack size");
    return t;
}

选项 2

不使用 tuple，依赖 auto 返回类型，特别是 C++14 decltype(auto) 和使用 enable_if 作为模板参数而不是返回类型：

template<size_t index, typename T, typename... Ts,
    typename enable_if<index==0>::type* = nullptr>
inline constexpr decltype(auto) get(T&& t, Ts&&... ts) {
    return std::forward<T>(t); 
}

template<size_t index, typename T, typename... Ts,
    typename enable_if<(index > 0 && index <= sizeof...(Ts))>::type* = nullptr>
inline constexpr decltype(auto) get(T&& t, Ts&&... ts) {
    return get<index-1>(std::forward<Ts>(ts)...);
}

template<long long index, typename... Ts>
inline constexpr bool index_ok() {
    return index >= 0 && index < (long long)sizeof...(Ts);
}

// block (compilation error) the call to get with bad index,
// providing a readable compilation error
template<long long index, typename T, typename... Ts,
    typename enable_if<(!index_ok<index, T, Ts...>())>::type* = nullptr>
inline constexpr decltype(auto) get(T&& t, Ts&&... ts) {
    static_assert(index_ok<index, T, Ts...>(),
        "bad index in call to get, smaller than zero or above pack size");
    return std::forward<T>(t); // need to return something...
                               // we hope to fail on the static_assert above
}

使用示例：

template<size_t index, typename... Ts>
void resetElementN(Ts&&... ts) {
    get<index>(std::forward<Ts>(ts)...) = {}; // assuming element N has an empty ctor
}

int main() {
    int i = 0;
    string s = "hello";
    get<0>(i,2,"hello","hello"s, 'a') += get<0>(2);
    get<1>(1,i,"hello",4) += get<1>(1, 2);
    get<3>(1,2,"hello",i) += get<2>(0, 1, 2);    
    get<2>(1,2,s,4) = get<2>(0, 1, "hi");
    cout << i << ' ' << s << endl;    
    resetElementN<1>(0, i, 2);
    resetElementN<0>(s, 1, 2);
    cout << i << ' ' << s << endl;    

    // not ok - and do not compile
    // get<0>(1,i,"hello","hello"s) = 5;
    // get<1>(1,i*2,"hello") = 5;
    // get<2>(1,i*2,"hello")[4] = '!';
    // resetElementN<1>(s, 1, 2);

    // ok
    const int j = 2;
    cout << get<0>(j,i,3,4) << endl;

    // not ok - and do not compile
    // get<0>(j,i,3,4) = 5;    

    // not ok - and do not compile
    // with a readable compilation error
    // cout << get<-1>("one", 2, '3') << endl;
    // cout << get<3>("one", 2, '3') << endl;
}

代码
选项 1：http://coliru.stacked-crooked.com/a/60ad3d860aa94453
选项 2：http://coliru.stacked-crooked.com/a/09f6e8e155612f8b

Answer 4

我们可以实现一个简单的函数来直接获取第 n 个参数无需任何递归调用，但在编译时进行许多纯类型操作。 我们先看关键代码：

template<class...Ts>
struct GetImp {
  template<class T, class...Us>
  static decltype(auto) impl(Ts&&..., T&& obj, Us&&...) {
    return std::forward<T>(obj);
  }
};

template<size_t n, class...Ts>
decltype(auto) get(Ts&&...args) {
  static_assert(n<sizeof...(args), "index over range");
  return Transform<GetImp, Before_s<n, Seq<Ts...>> >
    ::impl(std::forward<Ts>(args)...);
}

变换是什么意思？

例如，如果我们有一个类型T，即std::tuple<int,double,float>， 那么Transform<GetImp,T> 将是GetImp<int,double,float>。 请注意，我定义了另一个空结构“Seq”而不是 std::tuple 来做 相同的东西，编译时间更短。（实际上它们都可以很快编译，但我想空结构会更有效） 所以Before_s<n,Seq<Ts...>>生成一个Seq<?>然后我们把它转化为GetImp，这样我们就可以知道[0]~[n-1]参数是什么类型的， 然后将它们放下以直接索引第 n 个参数。 例如，Before_s<3,Seq<T0,T1,T2,T3,T4...>> 是 Seq<T0,T1,T2>， Before_s<2,Seq<T0,T1,T2,T3,T4...>> 是 Seq<T0,T1> 等等。 我们使用 Before_s 来处理我们的 Seq 类型以减少编译时间 使用一个元函数来实现另一个元函数以减少编译 时间。

实施

#define OMIT_T(...) typename __VA_ARGS__::type

template<class...Args>
struct Seq { };

template< template<class...> class Dst >
struct TransformImp{
    template< template<class...>class Src, class...Args >
    static Dst<Args...> from(Src<Args...>&&);
};
template< template<class...> class Dst, class T>
using Transform = decltype(TransformImp<Dst>::from(std::declval<T>()));
template<class T>
using Seqfy = Transform<Seq, T>;


template<class...>struct MergeImp;
template<class...Ts, class...Others>
struct MergeImp<Seq<Ts...>, Seq<Others...>>
{
  using type = Seq<Ts..., Others...>;
};
template<class first, class second>
using Merge = OMIT_T(MergeImp<Seqfy<first>, Seqfy<second> >);
template<class T, class U>
using Merge_s = OMIT_T(MergeImp<T, U>);

template<size_t, class...>struct BeforeImp;

template<size_t n, class T, class...Ts>
struct BeforeImp<n, Seq<T, Ts...>> {
    static_assert(n <= sizeof...(Ts)+1, "index over range");
    using type = Merge_s<Seq<T>, OMIT_T(BeforeImp<n - 1, Seq<Ts...>>)>;
};

template<class T, class...Ts>
struct BeforeImp<1, Seq<T, Ts...>> {
    using type = Seq<T>;
};
template<class T, class...Ts>
struct BeforeImp<0, Seq<T, Ts...>> {
    using type = Seq<>;
};
template<size_t n>
struct BeforeImp<n, Seq<>> {
    using type = Seq<>;
};

template<size_t n, class T>
using Before = OMIT_T(BeforeImp<n, Seqfy<T>>);
template<size_t n, class T>
using Before_s = OMIT_T(BeforeImp<n, T>);

已编辑：高级实现

我们不需要使用 Before_s 来计算第 n 个类型之前的 n-1 个类型，而是， 我们可以忽略它们：

struct EatParam{
    constexpr EatParam(...)noexcept{}
};

template<size_t n>
struct GenSeqImp {
  using type = Merge_s<OMIT_T(GenSeqImp<n / 2>), OMIT_T(GenSeqImp<n - n / 2>)>;
};
template<>
struct GenSeqImp<0> {
  using type = Seq<>;
};
template<>
struct GenSeqImp<1> {
  using type = Seq<EatParam>;
};

template<size_t n>
using GenSeq = OMIT_T(GenSeqImp<n>);


template<class...Ts>
struct GetImp {
  template<class T>
  static constexpr decltype(auto) impl(Ts&&..., T&& obj, ...)noexcept {
    return std::forward<T>(obj);
  }
};


template<size_t n, class...Ts>
constexpr decltype(auto) get(Ts&&...args)noexcept {
  static_assert(n<sizeof...(args), "index over range.");
  //return Transform<GetImp, Before_s<n, Seq<Ts...>> >
  return Transform<GetImp, GenSeq<n>>
    ::impl(std::forward<Ts>(args)...);
}

另外，there 是一篇非常有趣的文章，关于获取第 n 种类型的实现：

感谢他们的工作，我以前不知道我们可以使用 (...) 来进行破解。

Answer 5

访问第 N 个元素？

使用std::forward_as_tuple：

template <int I, class... Ts>
decltype(auto) get(Ts&&... ts) {
  return std::get<I>(std::forward_as_tuple(ts...));
}

示例用法：

template<class...Ts>
void foo(Ts&&...ts){

  auto& first = get<0>(ts...);
  auto second = get<1>(ts...);

  first = 'H';
  second = 'E';

  (std::cout << ... << ts);
}

foo('h','e','l','l','o');
// prints "Hello"

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此答案是对 Emile Cormier 仅给出第 n 种类型的答案的补充。