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第27课 可变参数模板（8）_TupleHelper

admin • • C/C++ • 阅读 122

1. TupleHelper的主要功能

（1）打印：由于tuple中的元素是可变参数模板，外部并不知道内部到底是什么数据，有时调试时需要知道其具体值，希望能打印出tuple中所有的元素值。

（2）根据元素值获取索引位置：tuple接口中有根据索引位置获取元素的接口，根据元素值来获取索引位置是相反的做法。

（3）获取索引：在运行期根据索引获取索引位置的元素。

（4）遍历tuple：类似于std::for_each算法，可以将函数对象应用于tuple的每个元素。

（5）反转tuple：将tuple中的元素逆序。

（6）应用于函数：将tuple中的元素进行一定的转换，使之成为函数的入参。

2. 打印tuple

（1）通过模板特化和递归来展开打印tuple

　　①tuple内部的元素个数和类型是不固定的，需要需要用std::get<N>(tuple)来获取元素。

　　②模板特化和递归调用展开tuple的本质就是通过整型模板参数递减来实现的。TuplePrint<decltype(tup), N>::print(tup);通用N来控制递归调用，直到N递减为1.

　　③PrintTuple2(tup)是辅助函数，可以减少外面调用的入参，方面调用TuplePrinter。

（2）通过索引序列来展开并打印tuple

　　①根据tuple的参数Args…，创建一个可变的索引序列:make_index<Args…>::type

　　②根据索引序列来获取tuple中对应位置的元素，并转化为另一种可供print_impl函数使用的参数包:std::get<Indexes>(tup)…

　　③本质上是将tuple通过可变索引序列，转化为一个可变参数模板参数包。

【编程实验】tuple的打印

//TpIndex.hpp

#ifndef _TP_INDEXES_H_
#define _TP_INDEXES_H_

namespace TupleHelper
{

//******tuple参数的索引序列****************/

//*************递增整数序列*******************
//第1种方法
template<int...>
struct IndexTuple{};

//前向声明
template<int I, typename IndexTuple, typename... Types>
struct make_indexes_impl;

//定义递归函数（产生递增的整数序列）
//各参数：I用于控制递归次数，Indexes：当前己产生的整数序列，T和Types...：将Types包分解T和Types...两部分
template<int I, int... Indexes, typename T, typename... Types>
struct make_indexes_impl<I, IndexTuple<Indexes...>, T, Types...>
{
    //由于Types参数包被分解和T和Types...两部分，所以Types...的参数个数会逐渐减少
    //同时IndexTuple<Indexs...,I>会在当前Indexes整数序列的后面加上一个递增的I，即IndexTuple<Indexes..., I>
    //因此，是一个递增的整数序列
    using type = typename make_indexes_impl<I+1, IndexTuple<Indexes..., I>, Types...>::type;
};

//递归终止
template<int I, int... Indexes>
struct make_indexes_impl<I, IndexTuple<Indexes...>>
{
    using type = IndexTuple<Indexes...>;
};

//类型萃取
//调用方法如：make_indexes<double, char, int>
template<typename... Types> 
struct make_indexes : make_indexes_impl<0, IndexTuple<>, Types...>
{};

//第2种方法:
template<int N, int... Indexes>
struct make_indexes2 : make_indexes2<N-1, N-1, Indexes...>{};

//termination condition
template<int... Indexes>
struct make_indexes2<0, Indexes...>
{
    using type = IndexTuple<Indexes...>;
};

//第3种方法
template<int end, int cur, int... Indexes>
struct make_indexes3 : make_indexes3<end, cur + 1, Indexes..., cur>{};

//cur == end, the list has been built
template<int end, int... Indexes>
struct make_indexes3<end, end, Indexes...>
{
    using type = IndexTuple<Indexes...>;
};

//*************递减整数序列*******************
//前向声明
template<int I, typename IndexTuple, typename... Types>
struct make_indexes_reverse_impl;

//产生递减整数序列
template<int I, int... Indexes, typename T, typename... Types>
struct make_indexes_reverse_impl<I, IndexTuple<Indexes...>, T, Types...>
{
    using type = typename make_indexes_reverse_impl<I-1, IndexTuple<Indexes..., I-1>, Types...>::type;
};

//递归终止
template<int I, int... Indexes>
struct make_indexes_reverse_impl<I, IndexTuple<Indexes...>>
{
    using type = IndexTuple<Indexes...>;
};

//类型萃取
//调用方法如：make_indexes<double, char, int>
template<typename... Types> 
struct make_reverse_indexes : make_indexes_reverse_impl<sizeof...(Types), IndexTuple<>, Types...>
{};

}

#endif

//TpPrint.hpp

#ifndef _TP_PRINT_H_
#define _TP_PRINT_H_

#include <tuple>
#include <iostream>
#include "TpIndexes.hpp"

namespace TupleHelper
{
//*************tuple的打印*******************

//第1种方法：根据索引序列打印
template<typename Last>
void print_impl(Last&& last)
{
    std::cout << " " << last << std::endl;
}

template<typename Head, typename... Tail>
void print_impl(Head&& head, Tail&&... tail)
{
    std::cout << " " << head;
    print_impl(tail...);
}

//万能转换，将tuple转成Args...
template<typename... Args, int... Indexes>
void tuple_print_impl(IndexTuple<Indexes...>, std::tuple<Args...>&& tup)
{
    //取出tuple中的每个元素，并转成供print_imple使用的另一种参数包
    print_impl(std::forward<Args>(std::get<Indexes>(tup))...);
}

//辅助函数
template<typename... Args>
void PrintTuple(const std::tuple<Args...>& tup) //左值版本
{
    tuple_print_impl(typename make_indexes<Args...>::type(),
                     std::tuple<Args...>(tup));
}

template<typename... Args>
void PrintTuple(std::tuple<Args...>&& tup) //右值版本
{
    tuple_print_impl(typename make_indexes<Args...>::type(), 
                     std::forward<std::tuple<Args...>>(tup));
}

//第2种方法：通过模板特化和递归来展开并打印tuple
template<class Tuple, std::size_t N>
struct TuplePrinter
{
    static void print(const Tuple& t)
    {
        TuplePrinter<Tuple, N-1>::print(t); //深度递归
        std::cout << ", " << std::get<N-1>(t);
    }
};

template<class Tuple>
struct TuplePrinter<Tuple, 1>
{
    static void print(const Tuple& t)
    {
        std::cout << ", " << std::get<0>(t);
    }
};
//辅助函数
template<typename... Args>
void PrintTuple2(const std::tuple<Args...>& tup)
{
    std::cout << "(";
    TuplePrinter<decltype(tup), sizeof...(Args)>::print(tup);
    std::cout <<")" << std::endl;
}

//第3种方法：
template<typename T, int... Indexes>
void print_impl3(const T& tup, IndexTuple<Indexes...>)
{
    //利用初始化列表
    int a[] = {(std::cout << std::get<Indexes>(tup) << " ",0)...};
    (void)a;
    std::cout << std::endl;
}

template<typename... Args>
void PrintTuple3(const std::tuple<Args...>& tup)
{
    typedef typename make_indexes<Args...>::type index_type;
    print_impl3(tup, index_type());
}

}

#endif

//TestPrint.cpp

#include <iostream>
#include <tuple>
#include "TpPrint.hpp"

using namespace std;
using namespace TupleHelper;

int main()
{
    //1. tuple的打印
    using Tuple = std::tuple<int,short, double, char, string>;
    Tuple tp = std::make_tuple(1, 2, 0.5f, 'a', "ok");
    PrintTuple(tp);
    PrintTuple2(tp);
    PrintTuple3(tp);

    return 0;
}
/*输出结果
e:\Study\C++11\27>g++ -std=c++11 test_tuple_helper.cpp
e:\Study\C++11\27>a.exe
 1 2 0.5 a ok
(, 1, 2, 0.5, a, ok)
1 2 0.5 a ok
*/

3. 根据元素值获取索引位置

（1）遍历tuple并判断当前元素值是否与给定的值相等，如果相等，则返回当前索引。否则直到遍历终止时仍没找到，则返回-1。

（2）equal_val<N>(tuple, val)用于判断std::get<N>(tuple)是否等于val。

（3）查找是从tuple的最后一个元素开始的，并返回第1个匹配元素的索引位置。

（4）find_index用于递归查找。findIndex是个辅助函数，便于简化调用。

4. 在运行期根据索引位置获取元素

（1）std::get<N>(tuple)：用于获取tuple中的第N个元素，但是N只能是个编译期的常量，不能是个变量（如int i）

（2）可以采用映射的方法，将运行期变量“映射”为编译期常量。（见getArgByIndex函数）。通过自增编译期常量k，将k与运行期变量index比较，当两者相等时表示映射成功，这时调用std::get<k>(tuple)来获取第k个元素值。

5. 遍历tuple

（1）先将tuple展开为可变参数模板，然后用展开可变参数模板的方法遍历tuple类

（2）遍历函数：tuple_for_each(func, tup);由于tuple中的元素类型是变化的，因此func不能用lambda表达式，需要用一个泛型函数来处理tuple中的元素（见Functor仿函数）。

6. 反转tuple

（1）生成一个逆序的索引序列，目的是为了从最后一个tuple元素开始，将前面的元素一个一个取出来组成一个新的tuple。

（2）tuple_reverse可接受左右值类型的tuple参数对象。

7. 应用于函数

（1）tuple应用于函数的目的：是将tuple展开作为某个函数的入参（可能有多个参数）。

（2）实现思路：先将tuple展开转换为可变参数模板，然后这个可变参数模板应用于某个函数。

（3）本例未实现当函数返回void的情况，这可重载apply_helper函数。

8. 合并tuple

（1）将两个tuple合起来，前一个tuple中的每一个元素为key，后一个tuple中的每个元素为value，组成一个pair集合。

（2）利用索引序列，将两个tuple分别展开，再将这些元素组合成一个pair集合。

【编程实验】tupleHelper的综合应用

//TpApply.hpp

#ifndef _TP_APPLY_H_
#define _TP_APPLY_H_

#include <tuple>
#include "TpIndexes.hpp"

namespace TupleHelper
{

//1. 根据元素值获取索引位置
//对于可转换的类型，则直接比较
template<size_t N, typename Tuple, typename T>
static typename std::enable_if<std::is_convertible<typename std::tuple_element<N, Tuple>::type, T>::value ||
    std::is_convertible<T, typename std::tuple_element<N, Tuple>::type>::value, bool>::type
    equal_val(const Tuple& tp, const T& val)
{
    return std::get<N>(tp) == val;
}

//不能互转的类型，则直接返回false
template<size_t N, typename Tuple, typename T>
static typename std::enable_if<!(std::is_convertible<typename std::tuple_element<N, Tuple>::type, T>::value ||
    std::is_convertible<T, typename std::tuple_element<N, Tuple>::type>::value), bool>::type
    equal_val(const Tuple& tp, const T& val)
{
    return false;
}

//根据值查找索引
template<int I, typename T, typename... Args> //I用于控制递归调用的次数，I-1为元素索引位置
struct find_index
{
    static int comp(const std::tuple<Args...>& tup, T&& val)
    {
        using U = typename std::remove_reference<typename std::remove_cv<T>::type>::type;
        using V = typename std::tuple_element<I - 1, std::tuple<Args...>>::type;
        bool bflag = std::is_convertible<U, V>::value || std::is_convertible<V, U>::value;
        return (bflag && equal_val<I - 1>(tup, val)) ? 
                         I - 1 : //从tuple最后一个元素开始查找，当前I-1为元素的索引
                         find_index<I - 1, T, Args...>::comp(tup, std::forward<T>(val));
    }
};

template<typename T, typename... Args>
struct find_index<0, T, Args...>
{
    static int comp(const std::tuple<Args...>& tup, T&& val)
    {
        using U = typename std::remove_reference<typename std::remove_cv<T>::type>::type;
        using V = typename std::tuple_element<0, std::tuple<Args...>>::type;
        bool bflag = std::is_convertible<U, V>::value || std::is_convertible<V, U>::value;
        //递归终止，如果找到则返回0，否则返回-1
        return (bflag && equal_val<0>(tup, val)) ? 0 : -1;
    }
};

//辅助函数，简化调用
template<typename T, typename... Args>
int findIndex(const std::tuple<Args...>& tup, T&& val)
{
    return find_index<sizeof...(Args), T, Args...>::comp(tup, std::forward<T>(val));
}

//2. 在运行期根据索引位置获取元素
//第1种方法：将编译期常量和运行期变量进行映射
template<size_t k, typename Tuple>
typename std::enable_if<(k==std::tuple_size<Tuple>::value)>::type //void
getArgByIndex(size_t index, const Tuple& tp)
{
    throw std::invalid_argument("arg index out of range");
}

template<size_t k = 0, typename Tuple>
typename std::enable_if<(k<std::tuple_size<Tuple>::value)>::type
getArgByIndex(size_t index, const Tuple& tp)
{
    if(k == index){
        std::cout << std::get<k>(tp)<< " ";
    }else{
        getArgByIndex<k + 1>(index, tp);//通过自增k，使得当k==index时输出
    }
}

//第2种方法：通过逐步展开参数包
void getArgByIndex2(size_t index, std::tuple<>& tp){}

template<typename Arg, typename... Args>
void getArgByIndex2(size_t index, std::tuple<Arg, Args...>& tp) 
{
    if(index < 0 || index >=std::tuple_size<std::tuple<Arg, Args...>>::value)
        throw std::invalid_argument("index is not valid");

    if(index > 0)
        getArgByIndex2(index-1, (std::tuple<Args...>&)tp); //tp的父类为std::tuple<Args...>
                                                           //注意：父子类对象内存模型
    else
        std::cout << std::get<0>(tp) << " ";
}

template<typename Arg>  //特化：当tuple只有一个参数时
void getArgByIndex2(size_t index, std::tuple<Arg>& tp)
{
    std::cout << std::get<0>(tp) << " ";
}

//3. 遍历tuple
template<typename Func, typename Last>
void for_each_impl(Func&& f, Last&& last)
{
    f(std::forward<Last>(last));
}

template<typename Func, typename First, typename... Rest>
void for_each_impl(Func&& f, First&& first, Rest&&... rest)
{
    f(std::forward<First>(first));
    for_each_impl(std::forward<Func>(f), std::forward<Rest>(rest)...); //rest为tuple中的各个元素组成的参数包
}

template<typename Func, int... Indexes, typename... Args>
void for_each_helper(Func&& f, IndexTuple<Indexes...>, std::tuple<Args...>&& tup)
{
    for_each_impl(std::forward<Func>(f), 
                  std::forward<Args>(std::get<Indexes>(tup))...); //将tuple展开为可变参数模板的参数包！
}

template<typename Func, int... Indexes, typename... Args>
void for_each_helper(Func&& f, IndexTuple<Indexes...>, std::tuple<Args...>& tup)
{
    for_each_impl(std::forward<Func>(f), 
                  std::forward<Args>(std::get<Indexes>(tup))...); //将tuple展开为可变参数模板的参数包！
}

//tuple_for_each
template<typename Func, typename... Args>
void tuple_for_each(Func&& f, std::tuple<Args...>& tup)
{
    for_each_helper(std::forward<Func>(f), 
                    typename make_indexes<Args...>::type(),
                    tup);
}

template<typename Func, typename... Args>
void tuple_for_each(Func&& f, std::tuple<Args...>&& tup)
{
    for_each_helper(std::forward<Func>(f), 
                    typename make_indexes<Args...>::type(),
                    std::forward<std::tuple<Args...>>(tup));
}

//4. 反转tuple
template<class... Args, int... Indexes>
auto reverse_impl(std::tuple<Args...>& tup, IndexTuple<Indexes...>&&) ->
decltype(std::make_tuple(std::get<Indexes>(std::forward<std::tuple<Args...>>(tup))...))
{
    return std::make_tuple(std::get<Indexes>(tup)...);
}

template<class... Args, int... Indexes>
auto reverse_impl(std::tuple<Args...>&& tup, IndexTuple<Indexes...>&&) ->
decltype(std::make_tuple(std::get<Indexes>(std::forward<std::tuple<Args...>>(tup))...))
{
    return std::make_tuple(std::get<Indexes>(std::forward<std::tuple<Args...>>(tup))...);
}

template<class... Args>
auto tuple_reverse(std::tuple<Args...>&& tup)->
decltype(reverse_impl(std::forward<std::tuple<Args...>>(tup),typename make_reverse_indexes<Args...>::type()))
{
    return reverse_impl(std::forward<std::tuple<Args...>>(tup),typename make_reverse_indexes<Args...>::type());
}

template<class... Args>
auto tuple_reverse(std::tuple<Args...>& tup)->
decltype(reverse_impl(std::forward<std::tuple<Args...>>(tup),typename make_reverse_indexes<Args...>::type()))
{
    return reverse_impl(tup, typename make_reverse_indexes<Args...>::type());
}

//5. tuple应用于函数(将tuple中的元素展开成一个个参数，并传给f函数)。
template<typename F, typename Tuple, int... Indexes>
auto apply_helper(F&& f, IndexTuple<Indexes...>&& in, Tuple&& tup)->
decltype(std::forward<F>(f)(std::get<Indexes>(tup)...))
{
    return std::forward<F>(f)(std::get<Indexes>(tup)...);
}

template<class F, class... Args>
typename std::result_of<F(Args...)>::type
apply(F&& f, const std::tuple<Args...>& tup)
{
    return apply_helper(std::forward<F>(f), typename make_indexes<Args...>::type(), tup);
}

//6. 合并tuple
template<std::size_t N, typename T1, typename T2>
using pair_type = std::pair<typename std::tuple_element<N, T1>::type, typename std::tuple_element<N, T2>::type>;

template<std::size_t N, typename T1, typename T2>
pair_type<N, T1, T2> pairs(const T1& tup1, const T2& tup2)
{
    return std::make_pair(std::get<N>(tup1), std::get<N>(tup2)); //tup1为key， tup2为value
}

template<int... Indexes, typename T1, typename T2>
auto pairs_helper(IndexTuple<Indexes...>, const T1& tup1, const T2& tup2)->
decltype(std::make_tuple(pairs<Indexes>(tup1, tup2)...))
{
    return std::make_tuple(pairs<Indexes>(tup1, tup2)...);
}

template<typename Tuple1, typename Tuple2>
auto Zip(Tuple1 tup1, Tuple2 tup2)->
decltype(pairs_helper(typename make_indexes2<std::tuple_size<Tuple1>::value>::type(), tup1, tup2))
{
    static_assert(std::tuple_size<Tuple1>::value == std::tuple_size<Tuple2>::value, "tuples should be the same size.");
    return pairs_helper(typename make_indexes2<std::tuple_size<Tuple1>::value>::type(), tup1, tup2);
}

}
#endif

//test_tuple_helper.cpp

#include <iostream>
#include <tuple>
#include "TpPrint.hpp"
#include "TpApply.hpp"

using namespace std;
using namespace TupleHelper;

struct Functor
{
    template<typename T>
    void operator()(T&& t) const
    {
        cout << t << " ";
    }
};

struct PairFunctor
{
    template<typename T>
    void operator()(T&& t) const
    {
        cout << "key = " << t.first << " , value = " << t.second << endl;
    }
};

int main()
{    
    using Tuple = std::tuple<int,short, double, char, string>;
    Tuple tp = std::make_tuple(1, 2, 0.5f, 'a', "ok");

    //1. 根据元素值获取索引位置
    cout << "findIndex(tp, \"ok\")..."<< endl;
    int index = findIndex(tp, "ok");
    cout << index << endl;

    //2. 在运行期根据索引位置获取元素
    cout << "getArgByIndex(i, tp)..."<< endl;
    int len = std::tuple_size<Tuple>::value;
    for(int i=0; i<len; i++)
    {
        getArgByIndex(i, tp); //getArgByIndex<0>(i, tp);
    }
    cout << endl;

    cout << "getArgByIndex2(i, tp)..."<< endl;
    //getArgByIndex(5, tp); //error, 索引超出范围，将抛出异常
    for(int i=0; i<len; i++)
    {
        getArgByIndex2(i, tp); //getArgByIndex<0>(i, tp);
    }
    cout << endl ;

    cout << "Traverse tuple..."<< endl;
    //3. 遍历tuple
    tuple_for_each(Functor(), std::make_tuple(1,3,4,'b',2.0));
    cout << endl;

    cout << "tuple_reverse(tp)..."<< endl;
    //4. 反转tuple
    auto tp2 = tuple_reverse(tp);
    PrintTuple(tp2);
    PrintTuple(tp);

    //5. 将tuple应用于函数
    cout << "apply..."<< endl;
    apply([](int a, int b){cout << a + b << endl; return a + b;}, std::make_tuple(1, 2));

    //6. 合并tuple
    cout << "merge..."<< endl;
    auto tp3 = std::make_tuple<int, short, double, char>(1, 2, 2.5, 'a');
    auto tp4 = std::make_tuple<double, short, double, char>(1.5, 2, 2.5, 'z');
    auto mypairs = Zip(tp3, tp4);
    tuple_for_each(PairFunctor(), mypairs); 

    return 0;
}
/*输出结果
e:\Study\C++11\27>g++ -std=c++11 test_tuple_helper.cpp
e:\Study\C++11\27>a.exe
findIndex(tp, "ok")...
4
getArgByIndex(i, tp)...
1 2 0.5 a ok
getArgByIndex2(i, tp)...
1 2 0.5 a ok
Traverse tuple...
1 3 4 b 2
tuple_reverse(tp)...
 ok a 0.5 2 1
 1 2 0.5 a ok
apply...
3
merge...
key = 1 , value = 1.5
key = 2 , value = 2
key = 2.5 , value = 2.5
key = a , value = z
*/

原文链接: https://www.cnblogs.com/5iedu/p/7858378.html

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    第27课 可变参数模板（8）_TupleHelper

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