淺析C++標準庫元組（tuple）源碼
一、什么是元組
元組不是什么新鮮東西，在數(shù)學(xué)、python語言還有我們今天要說的C++都有元組。
簡單地說，元組就是一組東西，例如，在講代數(shù)拓撲的時候，經(jīng)常把拓撲空間X和其中一點x作為一個偶對(X, x)，這其實就是個元組，點的坐標也可以看成一個元組。C++中的元組（tuple）是這個樣子的：
std::tuple<int, std::string> tu{ 2,"12iop" };
一個tuple可以包含不同類型的成員，例如上面的tu包含一個int和一個字符串。
二、用法
在考察源碼之前，我們必須先知道它的用法。
要想使用tuple，要包含頭文件<tuple>：
#include <tuple>
tuple實際上是一個有可變參數(shù)的類模板，使用的時候，傳入若干個參數(shù)將其特化。
struct Point
{
int x;
int y;
};
void main()
{
std::tuple<int, std::string> t1{ 1,"qwer" }; // 一個由int和字符串組成的tuple
constexpr std::tuple<int, void*> t2{ 1,nullptr }; // 一個由int和void*組成的tuple
std::tuple<int, Point> t3{ 1,{20,89} }; // 一個由int和Point結(jié)構(gòu)體組成的tuple
std::tuple<int, char, std::string> t4{ 1,'t',"qwer" }; // 一個由int、char、字符串組成的tuple
}
上面的代碼中，我用constexpr修飾了t2，這是完全正確的，std::tuple的構(gòu)造函數(shù)是constexpr的。
獲取tuple中的值，用std::get。這不是函數(shù)，而是函數(shù)模板，我們需要傳入size_t類型的變量將其特化，或者傳入一個類型，告訴它我們需要取出元組中的哪個類型的成員。
struct Point
{
int x;
int y;
};
void main()
{
std::tuple<int, std::string> t1{ 1,"qwer" };
constexpr std::tuple<int, void*> t2{ 10,nullptr };
std::tuple<int, Point> t3{ 1,{20,89} };
std::tuple<int, char, std::string> t4{ 1,'t',"qwer" };
std::cout << std::get<0>(t1) << std::endl; // 1
constexpr int n2 = std::get<0>(t2);
std::cout << n2 << std::endl; // 10
auto s = std::get<char>(t4);
std::cout << s << std::endl; // t
}
std::get也是constexpr的，所以n2也是一個編譯時的常量。
我們通過get<char>的方式得到了s，它是char類型的變量。std::get<T>可以從tuple中獲取到第一個類型為T的成員。
tuple也可以用【==】和【!=】比較是否相等：
std::tuple<int, std::string> t5{ 1,"qwer" };
if (t1 == t5)
{
std::cout << "==" << std::endl;
}
介紹tuple的用法不是本文的主要內(nèi)容，故到此為止。有興趣的同學(xué)可以自行查閱資料。
接下來，是時候考察一看源碼了。
三、源碼分析
tuple是個可變參數(shù)的類模板：
template<typename... _Types> class tuple;
這是對類模板的聲明。
接下來，實現(xiàn)參數(shù)個數(shù)為零的空tuple。
3.1 tuple<>
struct allocator_arg_t
{};
template<>
class tuple<>
{
public:
typedef tuple<> _Myt;
constexpr tuple() noexcept
{}
template<typename _Alloc>
tuple(allocator_arg_t, const _Alloc&) noexcept
{}
constexpr tuple(const tuple&) noexcept
{}
template<class _Alloc>
tuple(allocator_arg_t, const _Alloc&, const _Myt&) noexcept
{}
void swap(_Myt&) noexcept
{}
constexpr bool _Equals(const _Myt&) const noexcept
{
return true;
}
constexpr bool _Less(const _Myt&) const noexcept
{
return false;
}
};
allocator_arg_t是個空的結(jié)構(gòu)體，暫時不管它。_Myt就是tuple<>自己，這樣寫起來方便一些。
tuple<>定義了空的構(gòu)造函數(shù)和拷貝構(gòu)造函數(shù)（空tuple沒什么可做的）。
成員函數(shù)swap用于與另一個tuple<>交換內(nèi)容，因為沒什么可交換的，函數(shù)體當然是空的。
_Equals用來判斷兩個tuple<>是否相等，它返回true，這是顯然的（所有的tuple<>都是一個樣子）。
_Less從函數(shù)名看，是為了比較大小，但如果遇到?jīng)]有重載<的類型呢？暫時不管它。
有了空tuple的定義，就可以定義非空的tuple。
3.2 非空的tuple
template<class _This,
class... _Rest>
class tuple<_This, _Rest...>
: private tuple<_Rest...>
{
// 內(nèi)容
}
n(>0)個元素的tuple私有繼承了n-1個元素的tuple。顯然這是一種遞歸定義，最終會遞歸到tuple<>，而tuple<>是已經(jīng)定義好了得。
例如，tuple<int, char, short>私有繼承了tuple<char, short>，而tuple<char, short>又私有繼承了tuple<short>，tuple<short>私有繼承了tuple<>。由于私有繼承可以實現(xiàn)“has-a”功能，所以，這樣的方式可以將不同類型的對象組合在一起。如下圖：
那么，tuple是如何存儲其中的元素呢？
template<class _This,
class... _Rest>
class tuple<_This, _Rest...>
: private tuple<_Rest...>
{ // recursive tuple definition
public:
typedef _This _This_type;
typedef tuple<_This, _Rest...> _Myt;
typedef tuple<_Rest...> _Mybase;
static const size_t _Mysize = 1 + sizeof...(_Rest);
_Tuple_val<_This> _Myfirst; // 存儲的元素
}
原來，它有個成員叫_Myfirst，它就是用來存儲_This類型的變量的。你會看到_Myfirst的類型不是_This而是_Tuple_val<_This>，其實，_Tuple_val又是一個類模板，它的代碼這里就不展開了，簡而言之，它的作用是存儲一個tuple中的變量。_Myfirst._Val才是真正的元素。
這個tuple只存儲一個元素，類型為_Rest...的其他元素存在基類_MyBase即tuple<_Rest...>中。我們?nèi)匀灰詔uple<int, char, short>為例，tuple<int, char, short>存儲了一個int，有基類tuple<char, short>；而tuple<char, short>存儲了一個char，有基類tuple<short>；tuple<short>存儲了一個short，有基類tuple<>；tuple沒有基類也不存儲任何元素。
3.3 構(gòu)造函數(shù)
tuple的構(gòu)造函數(shù)沒什么可說的，就是初始化_Myfirst和_MyBase，當然，_MyBase也要進行么一個過程，直到tuple<>。
constexpr tuple(): _Mybase(), _Myfirst()
{}
constexpr explicit tuple(const _This& _This_arg,
const _Rest&... _Rest_arg)
: _Mybase(_Rest_arg...),
_Myfirst(_This_arg)
{}
tuple(const _Myt&) = default;
tuple(_Myt&&) = default;
它還提供了默認拷貝構(gòu)造函數(shù)和移動構(gòu)造函數(shù)（移動語義是C++11中新增的特性，請自行查閱資料）。其實，它還有很多構(gòu)造函數(shù)，寫起來挺熱鬧，無非就是用不同的方式為它賦初值，故省略。
3.4 部分成員函數(shù)
tuple重載了賦值符號（=），這樣，tuple之間是可以賦值的
template<class... _Other>
_Myt& operator=(const tuple<_Other...>& _Right)
{ // assign by copying same size tuple
_Myfirst._Val = _Right._Myfirst._Val;
_Get_rest() = _Right._Get_rest();
return (*this);
}
賦值符號返回左邊的引用，這種行為和C++的內(nèi)置類型是一致的。_Get_rest是tuple的成員函數(shù)，作用是把除了_Myfirst之外的那些元素拿出來。
接下來是成員函數(shù)_Equals，
template<class... _Other>
constexpr bool _Equals(const tuple<_Other...>& _Right) const
{
static_assert(_Mysize == sizeof...(_Other), "comparing tuple to object with different size");
return (_Myfirst._Val == _Right._Myfirst._Val && _Mybase::_Equals(_Right._Get_rest()));
}
其中進行了靜態(tài)斷言，如果兩個tuple的元素個數(shù)不相同，會引發(fā)一個編譯時的錯誤。如果對應(yīng)的類型不能用==進行比較，在模板特化時也會引發(fā)編譯期的錯誤，例如，tuple<std::string, int>不能和tuple<int, char>比較，因為std::string和int是不能用==進行比較的。
前面提到的_Get_rest在這里：
_Mybase& _Get_rest() noexcept
{
return (*this);
}
constexpr const _Mybase& _Get_rest() const noexcept
{
return (*this);
}
它返回對基類的引用。*this的類型雖然是_Myt，但根據(jù)C++語法（可以把派生類的引用賦給對基類的引用），所以這樣做是沒問題的。
以上就是C++標準庫元組（tuple）源碼淺析的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習有所幫助。
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