C++17 之 "折叠表达式"

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本文介绍了C++17中的折叠表达式特性，包括支持的操作符、左折叠与右折叠的区别，以及如何处理空参数包的情况。并通过实例展示了折叠表达式的应用场景。

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支持的操作符
折叠分类
空参数包
其它例子
最后

C++11 提供了可变模板参数包, 使函数可以接受任意数量的参数. 但在 C++11
中展开参数包稍显麻烦, 而 C++17 的折叠表达式使得展开参数包变得容易,
其基本语法是使用 (...) 的语法形式进行展开.

支持的操作符

折叠表达式支持 32 个操作符: +, -, *, /, %, ^, &, |, =, <,
>, <<, >>, +=, -=, *=, /=, %=, ^=, &=, |=, <<=,
>>=,==, !=, <=, >=, &&, ||, ,, .*, ->*.

折叠分类

C++17 的折叠表达式根据参数包的位置分为左折叠和右折叠,
根据操作的对象数量分为一元折叠和二元折叠.

例 1: 左折叠

//
template <typename ... Ts>
auto sum(Ts ... ts)
{
    return (... + ts);
}

//
int the_sum {sum(1, 2, 3, 4, 5)}; // the_sum 的值为 15

//
std::string a {"Hello "};
std::string b {"World"};
std::string the_string {sum(a, b)}; // the_string 的值为 "Hello World"

例 2: 右折叠

//
template <typename ... Ts>
auto sum(Ts ... ts)
{
    return (ts + ...);
}

例 1 中, 参数包 ... 位于操作符的左侧, 故尔称为左折叠. 如果 ...
位于操作符右侧, 则称为右折叠, 如例 2 所示. 就例 1 与例 2 而言,
左折叠与右折叠的效果是相同的. 对于 int the_sum {sum(1, 2, 3, 4, 5)};
左折叠的展开方式为 1 + (2 + (3 + (4 + 5))), 右折叠的展开方式为
(((1 + 2) + 3) + 4) + 5.

在例 1 与例 2 中, 如果参数包包含的参数数量为 0, 即为空包, 会产生编译错误, 如
int the_sum {sum()};, 大致的错误输出如下

In instantiation of 'auto sum(Ts ...) [with Ts = {}]':
error: fold of empty expansion over operator+
     return (... + ts);

若要解决空参数包的编译错误, 针对例 1, 可以加上一个数值 0,
可以解决编译错误又可以使得语义不变, 这个 0 相当于缺省值. 通过加上一个数值,
折叠就变成了二元折叠, 如例 3 所示.

例 3: 二元折叠

template <typename ... Ts>
auto sum(Ts ... ts)
{
    // 二元右折叠
    return (ts + ... + 0);

    // 二元左折叠
    // return (0 + ... + ts);
}

此时对于 int the_sum {sum(1, 2, 3, 4, 5)};,
折叠的展开方式为 1 + (2 + (3 + (4 + (5 + 0)))).

空参数包

空参数包就是参数包中不含任何参数. 对于大多数操作符, 空参数包将会引发编译错误.
对于 && 或 ||, 空参数包是合法的, 其中 && 的展开结果为 true, ||
的展开结果为 false. 在逗号 , 操作符中, 空参数包也合法, 展开为 void().

其它例子

例 4: 计算指定区间内包含指定数值的个数

template <typename R, typename ... Ts>
auto count(const R& range, Ts ... ts)
{
    return (std::count(std::begin(range), std::end(range), ts) + ...);
}

...

std::vector<int> v {1, 2, 3, 4, 5};
count(v,         2, 5);          // returns 2
count(v,         100, 200);      // returns 0
count("abcdefg", 'x', 'y', 'z'); // returns 0
count("abcdefg", 'a', 'd', 'f'); // returns 3

例 5: 检查插入多个元素是否成功

template <typename T, typename ... Ts>
bool insert_all(T &set, Ts ... ts)
{
    return (set.insert(ts).second && ...);
}

...

std::set<int> my_set {1, 2, 3};
insert_all(my_set, 4, 5, 6); // Returns true, my_set 值为 {1, 2, 3, 4, 5, 6}
insert_all(my_set, 7, 2, 8); // Returns false, my_set 值为 {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7}
                             // 插入 2 时出错, 8 不会被插入

例 6: 检查给的数值是否全部在指定范围内

最后

对于一元右折叠 (E op …) 具体展开为 E1 op (… op (EN-1 op EN)).
对于一元左折叠 (… op E) 具体展开为 (( E1 op E2) op …) op En.
对于二元右折叠 (E op … op I) 具体展开为 E1 op (… op (EN-1 op (EN op I))).
对于二元左折叠 (I op … op E) 具体展开为 (((I op E1) op E2) op …) op E2.

左折叠与右折叠的语义并非总是相同的. 比如对于加法和乘法, 左折叠与右折叠的语义是相同的, 但是对于减法与除法, 其语义是不同的.

例 7: 左右折叠不同语义

template<typename... Args>
auto left_sub(Args&&... args) {
    return (... - args);
}

template<typename... Args>
auto right_sub(Args&&... args) {
    return (args - ...);
}

...

auto a = left_sub(2, 3, 4);  // ((2 - ) -3 ) - 4) = -5
auto b = right_sub(2, 3, 4); // (2 - (3 - 4)) = 3