C++17使用折叠表达式实现一个IsAllTrue函数的过程

目录

• 前言
• 初级版本——基于初始化列表实现
• 进阶版本——基于折叠表达式实现
• 折叠表达式(Fold expressions)
• 基于一元右折叠的IsAllTrue函数
• 使用type traits 进一步优化
• 函数测试
• 知识总结
• 参考

前言

让我们实现一个 IsAllTrue 函数，支持变长参数，可传入多个表达式，必须全部计算为true，该函数才返回true。

本文记录了逐步实现与优化该函数的思维链，用到了以下现代C++新特性知识，适合对C+http://www.devze.com+进阶知识有一定了解的人。这样一种从实际问题来学习和运用知识的过程还是挺有趣的，特此整理分享一下。

• 可变长参数模板 (C++11)
• 折叠表达式 (C++17)
• 条件编译 if constexpr (C++17)
• 类型萃取 type traits (C++11)
• 完美转发std::forward (C++1php1)
• 结构化绑定 std::bind (C++11)

初级版本——基于初始化列表实现

可以使用初始化列表 std::initializer_list 存储多个bool变量，实现传入多个bool值的目的，这种方法实际上该函数只有一个参数，实现如下：

bool IsAllTrue(const std::initializer_list<bool>& conditions) {
    return std::all_of(conditions.begin(), conditions.end(), [](const bool a) {
        return a;
    });
}

使用方法如下：

int a = 1;
bool b = true;
auto c = []() {return true;}
IsAllTrue({a, b, c});

这个方法的实现简单易用，但是对于代码有更高追求的人并不满足于此，以上实现存在如下问题：

• 传入参数是一个初始化列表，需要写大括号{}，不够优雅。
• 调用函数前计算了每一个条件表达式，但实际任意一个为false，即可返回，可能存在如下问题：

  不必要的函数调用带来一定计算开销；

  当前后表达式存在依赖关系时，比如 p && p →a ，如果p是指针且为空， 计算p→a 会导致程序崩溃。

对于不了解这个函数用法的人而言，使用这个实现是会存在一定风险的。所以我们需要想办法利用 && 实现短路求值，以及对函数结果的延迟计算。

进阶版本——基于折叠表达式实现

折叠表达式(Fold expressions)

折叠表达式是C++17引入的新特性，可通过二元操作符折叠可变长参数模板中的参数包。这个特性的引入是为了简化C++11可变长参数模板的使用。

• 根据左右方向可分为左折叠和右折叠：

一元左折叠（Unary right fold）和一元右折叠（Unary left fold）形式如下：

( pack op... )  //一元右折叠，从右往左计算， 等同于(E1 op (... op (EN-1 op EN)))
( ... op pack ) //一元左折叠，从左往右计算， 等同于(((E1 op E2) op ...) op EN)

在大多数情况下，对于交换律成立的操作符（如 + 和 *），左折叠和右折叠的结果是相同的。然而，对于非交换的操作符，结果可能不同，例如减法或除法。

• 根据是否有初始值可分为一元和二元：

二元折叠表达式分为：二元右折叠（Binary right fold）和 二元左折叠（Binary left fold）。

( pack op ... op init )	 //二元右折叠
( init op ... op pack )	 //二元左折叠

• 使用二元左折叠的例子

template<typename... Args>
void printer(Args&&... args)
{
     ((std::cout<< args << " "), ...)<< "\n";
}

基于一元右折叠的IsAllTrue函数

基于 &&运算符的一元右折叠(Unary right fold)实现IsAllTrue如下：

template<typename... Args>
bool IsAllTrue(Args... args) { 
	return (std::forward<Args>(args) && ...); 
}

• 注：折叠表达式的最外层括号是必须的。

但以上实现，该模板本质上仍只能支持变长的多个bool参数，这会导致先计算出bool值再传入，仍未实现函数结果的延迟计算。

使用type traits 进一步优化

如何可以实现延迟计算呢？首先我们可以明确下，传递给该函数的参数类型，可能是bool值、可以计算出bool值的表达式或可调用对象、可转换为bool值的指针和数值。

总体可分为两类，一类是可转换为bool的表达式，另一类是可计算出bool的可调用对象。

由于参数类型(bool、函数对象、指针等)和类型特征(是否可调用、是否可以转成bool)均是可以在编译期确定的。

为了避免在编译期把模板参数类型都推断为bool，可定义 IsTrue 函数模板定义表达式bool值的计算方式，使模板可以推断出原表达式自身的类型，从而可以延迟其计算过程。其中用到了编译期条件if constexpr 和 一种类型萃取是否可调用 std::is_invocable_v ，这两个均是C++17引入的特性。

如果具备可调用的特征，则进行函数调用并返回结果；否则，将其转换为bool值返回。实现如下：

template <typename T>
bool IsTrue(T&& value) {
    if constexpr (std::is_invocable_v<T>) {
        // 如果是可调用对象，调用它并返回结果
        return std::forward<T>(value)();
    } else {
        // 否则，将其转换为bool
        return static_cast<bool>(std::forward<T>(value));
    }
}

基于以上模板改写 IsAllTure 模板函数 ：

template <typename... Args>
bool IsAllTrue(Args&&... args) {
    return (IsTrue(std::forward<Args>(args)) && ...);
}

该实现的本质是我们希望在用N个表达式传入该模板函数后，模板实例化为形同如下形式，从而可以实现短路机制：

static_cast<bool>(Expr1) && Expr2() && static_cast<bool>(Expr3) && ... && ExprN()

函数测试

对以上代码进行如下测试，注释为输出结果，可以看到，能够满足我们的需求：

auto lambdaTrue = []() { 
    std::cout<<" lambda true"<<std::endl;
    return true; 
};
auto lambdaFalse = []() { 
    std::cout<<" lambda false"<<std::endl;
    return false; 
};
class Foo  {
public:
    int a;
};
Foo* p = nullptr;
IsAllTrue(true, lambdaTrue);  // 输出lambda true
IsAllTrue(false, lambdaTrue); // 无输出，实现了短路机制以及延迟计算
IsAllTrue(p, p->a);  // 正常运行，不会coredump

以上为了方便，均使用定义了无参lambda函数进行了测试。为了延迟一般含参函数的计算结果，能够方便传入带参数的函数对象，还可以基于std::bind实现一个用于生成可调用对象的函数：

template <typename F, typename... Args>
auto make_callable(F&& f, Args&&... args) {
    return std::bind(std::forward<F>(f), std::forward<Args>(args)...);
}

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比如：

bool less(int a, int b) {
	return a < b;
}
IsAllTrue(true, make_callable(less, 1, 2));

完整测试代码：https://compiler-explorer.com/z/fTvq7Y36Y

知识总结

本文使用了以下C++知识实现了一个高效的IsAllTrue函数，优点为它的使用安全且较为js高效，缺点在于代码实现较为复杂，对C++知识掌握程度要求较高，过多使用也会导致代码体积膨胀。

• 条件编译if constexpr ： 编程客栈
  • 这个关键字用于在编译时判断是否满足条件。如果 T 是可调用对象（例如 lambda 或函数对象），则调用它并返回结果。
  • 如果 T 不是可调用对象，则将其转换为 bool。
• 类型萃取std::is_invocable_v：
  • 这是一个用于判断类型 T 是否可调用的特性。如果 T 是可调用对象，则 std::is_invocable_v<T> 返回 true。
  • 需要包含 <type_traits> 头文件
• 完美转发 std::forward：
  • std::forward<T>(value) 确保参数的完美转发，保留其左值或右值性质。
• 可变长参数模板：支持可变数量的参数包，语法用 T ... args表示。
• 折叠表达式
  • 使用了C++17中的折叠表达式 ，它会对参数从左到右进行求值。
  • 简化了可变长参数模板的使用，提供了一种简洁而直观的方式来对参数包进行展开和操作，从而避免了递归或显式循环的繁琐。
• 结构化绑定 std::bind ：可绑定参数args到一个函数f，并返回一个可调用对象。

参考

• https://en.cppreference.com/w/cpp/language/fold

到此这篇关于C++17 使用折叠表达式实现一个IsAllTrue函数的文章就介绍到这了,更多相关C++ IsAllTrue函数内容请搜索编程客栈(www.devze.com)以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持编程客栈(www.devze.com)！