Розуміння варіативних шаблонів у C++

Варіативні шаблони (Variadic Templates) є потужною особливістю C++, введеною в C++11, яка дозволяє писати функції та класи, що можуть приймати будь-яку кількість параметрів шаблону будь-якого типу. Ця можливість дозволяє створювати більш гнучкі та загальні патерни програмування, зберігаючи типову безпеку на етапі компіляції.

Основні поняття

Пакет параметрів (Parameter Pack)

Пакет параметрів — це шаблонний параметр, який може приймати нуль або більше аргументів. Він позначається трьома крапками (...). Існують два типи пакетів параметрів:

• Пакет параметрів шаблону: використовується в оголошенні шаблону
• Пакет параметрів функції: використовується в списку параметрів функції

Розширення пакета (Pack Expansion)

Розширення пакета — це процес розширення пакета параметрів у окремі елементи. Воно ініціюється використанням трьох крапок (...) після шаблону, який використовує пакет.

Базові приклади

Розглянемо простий приклад варіативної функції-шаблону, яка виводить всі свої аргументи:

#include   

// Базовий випадок: коли немає аргументів  
void print() {  
 std::cout << std::endl;  
}  

// Рекурсивний варіативний шаблон  
template <typename T, typename... Args>  
void print(T first, Args... rest) {  
 std::cout << first << " ";  
 print(rest...); // Рекурсивний виклик з залишковими аргументами  
}  

int main() {  
 print(1, 2.5, "hello", 'c'); // Виведе: 1 2.5 hello c  
 return 0;  
}

Розширене використання: Реалізація кортежу (Tuple Implementation)

Ось спрощена реалізація структури, подібної до кортежу, з використанням варіативних шаблонів:

template <typename... Types>  
class VariadicTuple;  

// Базовий випадок: порожній кортеж  
template<>  
class VariadicTuple<> {  
public:  
 static constexpr size_t size = 0;  
};  

// Рекурсивний випадок  
template <typename Head, typename... Tail>  
class VariadicTuple {  
 Head head;  
 VariadicTuple<Tail...> tail;  

public:  
 static constexpr size_t size = sizeof...(Tail) + 1;  

 VariadicTuple(const Head& h, const Tail&... t)  
 : head(h), tail(t...) {}  

 Head& getHead() { return head; }  
 VariadicTuple<Tail...>& getTail() { return tail; }  
};

Досконале переспрямування з варіативними шаблонами (Perfect Forwarding with Variadic Templates)

Варіативні шаблони часто використовуються разом з досконалим переспрямуванням (perfect forwarding), щоб створювати обгорткові функції:

template <typename... Args>  
void wrapper(Args&&... args) {  
 // Переспрямовуємо всі аргументи, зберігаючи їхні категорії значень  
 someFunction(std::forward<Args>(args)...);  
}

Вирази згортки (C++17)

template <typename... Args>  
auto sum(Args... args) {  
 return (... + args); // Одностороннє ліве згортання  
}  

template <typename... Args>  
bool all(Args... args) {  
 return (... && args); // Одностороннє ліве згортання  
}  

// Використання  
int total = sum(1, 2, 3, 4, 5); // 15  
bool allTrue = all(true, true, false); // false

Звичайні випадки використання

1. Фабричні функції (Factory Functions)

template <typename T, typename... Args>  
std::unique_ptr<T> make_unique(Args&&... args) {  
 return std::unique_ptr<T>(new T(std::forward<Args>(args)...));  
}

2. Гетерогенний контейнер (Heterogeneous Container)

template <typename... Types>  
class Variant {  
 std::tuple<Types...> data;  
public:  
 template <std::size_t I>  
 auto& get() {  
 return std::get<I>(data);  
 }  
};

Кращі практики

1. Завжди надавайте базовий випадок для рекурсивних варіативних шаблонів
2. Використовуйте sizeof...(args) для отримання кількості аргументів у пакеті
3. Розглядайте використання виразів згортки (C++17), коли це доречно
4. Будьте уважні до часу компіляції та глибини інстанціації шаблонів
5. Використовуйте std::forward, коли потрібне досконале переспрямування

Перекладено з: Understanding Variadic Templates in C++