前言

讓我們實(shí)現(xiàn)一個 IsAllTrue 函數(shù)，支持變長參數(shù)，可傳入多個表達(dá)式，必須全部計(jì)算為true，該函數(shù)才返回true。

本文記錄了逐步實(shí)現(xiàn)與優(yōu)化該函數(shù)的思維鏈，用到了以下現(xiàn)代C++新特性知識，適合對C++進(jìn)階知識有一定了解的人。這樣一種從實(shí)際問題來學(xué)習(xí)和運(yùn)用知識的過程還是挺有趣的，特此整理分享一下。

• 可變長參數(shù)模板 (C++11)
• 折疊表達(dá)式 (C++17)
• 條件編譯 if constexpr (C++17)
• 類型萃取 type traits (C++11)
• 完美轉(zhuǎn)發(fā)std::forward (C++11)
• 結(jié)構(gòu)化綁定 std::bind (C++11)

初級版本——基于初始化列表實(shí)現(xiàn)

可以使用初始化列表 std::initializer_list 存儲多個bool變量，實(shí)現(xiàn)傳入多個bool值的目的，這種方法實(shí)際上該函數(shù)只有一個參數(shù)，實(shí)現(xiàn)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});

這個方法的實(shí)現(xiàn)簡單易用，但是對于代碼有更高追求的人并不滿足于此，以上實(shí)現(xiàn)存在如下問題：

• 傳入?yún)?shù)是一個初始化列表，需要寫大括號{}，不夠優(yōu)雅。
• 調(diào)用函數(shù)前計(jì)算了每一個條件表達(dá)式，但實(shí)際任意一個為false，即可返回，可能存在如下問題：

  不必要的函數(shù)調(diào)用帶來一定計(jì)算開銷；

  當(dāng)前后表達(dá)式存在依賴關(guān)系時，比如 p && p →a ，如果p是指針且為空， 計(jì)算p→a 會導(dǎo)致程序崩潰。

對于不了解這個函數(shù)用法的人而言，使用這個實(shí)現(xiàn)是會存在一定風(fēng)險的。所以我們需要想辦法利用 && 實(shí)現(xiàn)短路求值，以及對函數(shù)結(jié)果的延遲計(jì)算。

進(jìn)階版本——基于折疊表達(dá)式實(shí)現(xiàn)

折疊表達(dá)式(Fold expressions)

折疊表達(dá)式是C++17引入的新特性，可通過二元操作符折疊可變長參數(shù)模板中的參數(shù)包。這個特性的引入是為了簡化C++11可變長參數(shù)模板的使用。

• 根據(jù)左右方向可分為左折疊和右折疊：

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

( pack op... )  //一元右折疊，從右往左計(jì)算， 等同于(E1 op (... op (EN-1 op EN)))
( ... op pack ) //一元左折疊，從左往右計(jì)算， 等同于(((E1 op E2) op ...) op EN)

在大多數(shù)情況下，對于交換律成立的操作符（如 + 和 *），左折疊和右折疊的結(jié)果是相同的。然而，對于非交換的操作符，結(jié)果可能不同，例如減法或除法。

• 根據(jù)是否有初始值可分為一元和二元：

二元折疊表達(dá)式分為：二元右折疊（Binary right fold）和 二元左折疊（Binary left fold）。

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

• 使用二元左折疊的例子

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

基于一元右折疊的IsAllTrue函數(shù)

基于 &&運(yùn)算符的一元右折疊(Unary right fold)實(shí)現(xiàn)IsAllTrue如下：

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

• 注：折疊表達(dá)式的最外層括號是必須的。

但以上實(shí)現(xiàn)，該模板本質(zhì)上仍只能支持變長的多個bool參數(shù)，這會導(dǎo)致先計(jì)算出bool值再傳入，仍未實(shí)現(xiàn)函數(shù)結(jié)果的延遲計(jì)算。

使用type traits 進(jìn)一步優(yōu)化

如何可以實(shí)現(xiàn)延遲計(jì)算呢？首先我們可以明確下，傳遞給該函數(shù)的參數(shù)類型，可能是bool值、可以計(jì)算出bool值的表達(dá)式或可調(diào)用對象、可轉(zhuǎn)換為bool值的指針和數(shù)值。

總體可分為兩類，一類是可轉(zhuǎn)換為bool的表達(dá)式，另一類是可計(jì)算出bool的可調(diào)用對象。

由于參數(shù)類型(bool、函數(shù)對象、指針等)和類型特征(是否可調(diào)用、是否可以轉(zhuǎn)成bool)均是可以在編譯期確定的。

為了避免在編譯期把模板參數(shù)類型都推斷為bool，可定義 IsTrue 函數(shù)模板定義表達(dá)式bool值的計(jì)算方式，使模板可以推斷出原表達(dá)式自身的類型，從而可以延遲其計(jì)算過程。其中用到了編譯期條件if constexpr 和 一種類型萃取是否可調(diào)用 std::is_invocable_v ，這兩個均是C++17引入的特性。

如果具備可調(diào)用的特征，則進(jìn)行函數(shù)調(diào)用并返回結(jié)果；否則，將其轉(zhuǎn)換為bool值返回。實(shí)現(xiàn)如下：

template <typename T>
bool IsTrue(T&& value) {
    if constexpr (std::is_invocable_v<T>) {
        // 如果是可調(diào)用對象，調(diào)用它并返回結(jié)果
        return std::forward<T>(value)();
    } else {
        // 否則，將其轉(zhuǎn)換為bool
        return static_cast<bool>(std::forward<T>(value));
    }
}

基于以上模板改寫 IsAllTure 模板函數(shù) ：

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

該實(shí)現(xiàn)的本質(zhì)是我們希望在用N個表達(dá)式傳入該模板函數(shù)后，模板實(shí)例化為形同如下形式，從而可以實(shí)現(xiàn)短路機(jī)制：

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

函數(shù)測試

對以上代碼進(jìn)行如下測試，注釋為輸出結(jié)果，可以看到，能夠滿足我們的需求：

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);  // 輸出lambda true
IsAllTrue(false, lambdaTrue); // 無輸出，實(shí)現(xiàn)了短路機(jī)制以及延遲計(jì)算
IsAllTrue(p, p->a);  // 正常運(yùn)行，不會coredump

以上為了方便，均使用定義了無參lambda函數(shù)進(jìn)行了測試。為了延遲一般含參函數(shù)的計(jì)算結(jié)果，能夠方便傳入帶參數(shù)的函數(shù)對象，還可以基于std::bind實(shí)現(xiàn)一個用于生成可調(diào)用對象的函數(shù)：

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

CPP 復(fù)制 全屏

比如：

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

完整測試代碼：https://compiler-explorer.com/z/fTvq7Y36Y

知識總結(jié)

本文使用了以下C++知識實(shí)現(xiàn)了一個高效的IsAllTrue函數(shù)，優(yōu)點(diǎn)為它的使用安全且較為高效，缺點(diǎn)在于代碼實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，對C++知識掌握程度要求較高，過多使用也會導(dǎo)致代碼體積膨脹。

• 條件編譯if constexpr ：
  • 這個關(guān)鍵字用于在編譯時判斷是否滿足條件。如果 T 是可調(diào)用對象（例如 lambda 或函數(shù)對象），則調(diào)用它并返回結(jié)果。
  • 如果 T 不是可調(diào)用對象，則將其轉(zhuǎn)換為 bool。
• 類型萃取std::is_invocable_v：
  • 這是一個用于判斷類型 T 是否可調(diào)用的特性。如果 T 是可調(diào)用對象，則 std::is_invocable_v<T> 返回 true。
  • 需要包含 <type_traits> 頭文件
• 完美轉(zhuǎn)發(fā) std::forward：
  • std::forward<T>(value) 確保參數(shù)的完美轉(zhuǎn)發(fā)，保留其左值或右值性質(zhì)。
• 可變長參數(shù)模板：支持可變數(shù)量的參數(shù)包，語法用 T ... args表示。
• 折疊表達(dá)式
  • 使用了C++17中的折疊表達(dá)式 ，它會對參數(shù)從左到右進(jìn)行求值。
  • 簡化了可變長參數(shù)模板的使用，提供了一種簡潔而直觀的方式來對參數(shù)包進(jìn)行展開和操作，從而避免了遞歸或顯式循環(huán)的繁瑣。
• 結(jié)構(gòu)化綁定 std::bind ：可綁定參數(shù)args到一個函數(shù)f，并返回一個可調(diào)用對象。

參考

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

到此這篇關(guān)于C++17 使用折疊表達(dá)式實(shí)現(xiàn)一個IsAllTrue函數(shù)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ IsAllTrue函數(shù)內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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