Как да правя общи изчисления върху разнородни пакети аргументи на функция с променлив шаблон?

Тъй като не бях доволен от това, което открих, се опитах сам да намеря решение и в крайна сметка написах малка библиотека, която позволява формулиране на общи операции върху пакети аргументи. Моето решение има следните характеристики:

• Позволява повторение на всички или някои елементи от пакет аргументи, евентуално посочени чрез изчисляване на техните индекси в пакета;
• Позволява препращане на изчислени части от пакет аргументи към променливи функтори;
• Изисква само включване на един относително кратък заглавен файл;
• Използва широко перфектно препращане, за да позволи тежко вграждане и избягва ненужни копия/премествания, за да позволи минимална загуба на производителност;
• Вътрешното внедряване на итерационните алгоритми разчита на Empty Base Class Optimization за минимизиране на потреблението на памет;
• Лесно е (относително, като се има предвид метапрограмирането на шаблон) за разширяване и адаптиране.

Първо ще покажа какво може да се направи с библиотеката, след което ще публикувам нейното внедряване.

СЛУЧАИ НА УПОТРЕБА

Ето пример за това как функцията for_each_in_arg_pack() може да се използва за итерация през всички аргументи на пакет и предаване на всеки аргумент във вход към някакъв предоставен от клиента функтор (разбира се, функторът трябва да има общ оператор за извикване, ако пакетът аргументи съдържа стойности на хетерогенни типове):

// Simple functor with a generic call operator that prints its input. This is used by the
// following functors and by some demonstrative test cases in the main() routine.
struct print
{
    template<typename T>
    void operator () (T&& t)
    {
        cout << t << endl;
    }
};

// This shows how a for_each_*** helper can be used inside a variadic template function
template<typename... Ts>
void print_all(Ts&&... args)
{
    for_each_in_arg_pack(print(), forward<Ts>(args)...);
}

Функцорът print по-горе може да се използва и в по-сложни изчисления. По-конкретно, ето как може да се повтори подмножество (в този случай поддиапазон) на аргументите в пакет:

// Shows how to select portions of an argument pack and 
// invoke a functor for each of the selected elements
template<typename... Ts>
void split_and_print(Ts&&... args)
{
    constexpr size_t packSize = sizeof...(args);
    constexpr size_t halfSize = packSize / 2;

    cout << "Printing first half:" << endl;
    for_each_in_arg_pack_subset(
        print(), // The functor to invoke for each element
        index_range<0, halfSize>(), // The indices to select
        forward<Ts>(args)... // The argument pack
        );

    cout << "Printing second half:" << endl;
    for_each_in_arg_pack_subset(
        print(), // The functor to invoke for each element
        index_range<halfSize, packSize>(), // The indices to select
        forward<Ts>(args)... // The argument pack
        );
}

Понякога някой може просто да иска да препрати част от пакет аргументи към някакъв друг променлив функтор, вместо да итерира елементите му и да прехвърли всеки от тях поотделно на непроменлив функтор. Ето какво позволява алгоритъмът forward_subpack():

// Functor with variadic call operator that shows the usage of for_each_*** 
// to print all the arguments of a heterogeneous pack
struct my_func
{
    template<typename... Ts>
    void operator ()(Ts&&... args)
    {
        print_all(forward<Ts>(args)...);
    }
};

// Shows how to forward only a portion of an argument pack 
// to another variadic functor
template<typename... Ts>
void split_and_print(Ts&&... args)
{
    constexpr size_t packSize = sizeof...(args);
    constexpr size_t halfSize = packSize / 2;

    cout << "Printing first half:" << endl;
    forward_subpack(my_func(), index_range<0, halfSize>(), forward<Ts>(args)...);

    cout << "Printing second half:" << endl;
    forward_subpack(my_func(), index_range<halfSize, packSize>(), forward<Ts>(args)...);
}

За по-специфични задачи, разбира се е възможно да се извлекат конкретни аргументи в пакет чрез индексиране. Ето какво позволява функцията nth_value_of(), заедно със своите помощници first_value_of() и last_value_of():

// Shows that arguments in a pack can be indexed
template<unsigned I, typename... Ts>
void print_first_last_and_indexed(Ts&&... args)
{
    cout << "First argument: " << first_value_of(forward<Ts>(args)...) << endl;
    cout << "Last argument: " << last_value_of(forward<Ts>(args)...) << endl;
    cout << "Argument #" << I << ": " << nth_value_of<I>(forward<Ts>(args)...) << endl;
}

Ако пакетът аргументи е хомогенен от друга страна (т.е. всички аргументи имат един и същи тип), формулировка като тази по-долу може да е за предпочитане. Мета-функцията is_homogeneous_pack<> позволява да се определи дали всички типове в пакет с параметри са хомогенни и е предназначена да се използва главно в изрази static_assert():

// Shows the use of range-based for loops to iterate over a
// homogeneous argument pack
template<typename... Ts>
void print_all(Ts&&... args)
{
    static_assert(
        is_homogeneous_pack<Ts...>::value, 
        "Template parameter pack not homogeneous!"
        );

    for (auto&& x : { args... })
    {
        // Do something with x...
    }

    cout << endl;
}

И накрая, тъй като ламбда са само синтактична захар за функтори, те могат да се използват и в комбинация с алгоритмите по-горе; обаче, докато генеричните ламбда не бъдат поддържани от C++, това е възможно само за хомогенни пакети с аргументи. Следващият пример показва също използването на мета-функцията homogeneous-type<>, която връща типа на всички аргументи в хомогенен пакет:

 // ...
 static_assert(
     is_homogeneous_pack<Ts...>::value, 
     "Template parameter pack not homogeneous!"
     );
 using type = homogeneous_type<Ts...>::type;
 for_each_in_arg_pack([] (type const& x) { cout << x << endl; }, forward<Ts>(args)...);

Това е основно това, което библиотеката позволява да се прави, но вярвам, че може дори да бъде разширено за извършване на по-сложни задачи.

ИЗПЪЛНЕНИЕ

Сега идва внедряването, което само по себе си е малко сложно, така че ще разчитам на коментари, за да обясня кода и да избегна да правя тази публикация твърде дълга (може би вече е така):

#include <type_traits>
#include <utility>

//===============================================================================
// META-FUNCTIONS FOR EXTRACTING THE n-th TYPE OF A PARAMETER PACK

// Declare primary template
template<int I, typename... Ts>
struct nth_type_of
{
};

// Base step
template<typename T, typename... Ts>
struct nth_type_of<0, T, Ts...>
{
    using type = T;
};

// Induction step
template<int I, typename T, typename... Ts>
struct nth_type_of<I, T, Ts...>
{
    using type = typename nth_type_of<I - 1, Ts...>::type;
};

// Helper meta-function for retrieving the first type in a parameter pack
template<typename... Ts>
struct first_type_of
{
    using type = typename nth_type_of<0, Ts...>::type;
};

// Helper meta-function for retrieving the last type in a parameter pack
template<typename... Ts>
struct last_type_of
{
    using type = typename nth_type_of<sizeof...(Ts) - 1, Ts...>::type;
};

//===============================================================================
// FUNCTIONS FOR EXTRACTING THE n-th VALUE OF AN ARGUMENT PACK

// Base step
template<int I, typename T, typename... Ts>
auto nth_value_of(T&& t, Ts&&... args) ->
    typename std::enable_if<(I == 0), decltype(std::forward<T>(t))>::type
{
    return std::forward<T>(t);
}

// Induction step
template<int I, typename T, typename... Ts>
auto nth_value_of(T&& t, Ts&&... args) ->
    typename std::enable_if<(I > 0), decltype(
        std::forward<typename nth_type_of<I, T, Ts...>::type>(
            std::declval<typename nth_type_of<I, T, Ts...>::type>()
            )
        )>::type
{
    using return_type = typename nth_type_of<I, T, Ts...>::type;
    return std::forward<return_type>(nth_value_of<I - 1>((std::forward<Ts>(args))...));
}

// Helper function for retrieving the first value of an argument pack
template<typename... Ts>
auto first_value_of(Ts&&... args) ->
    decltype(
        std::forward<typename first_type_of<Ts...>::type>(
            std::declval<typename first_type_of<Ts...>::type>()
            )
        )
{
    using return_type = typename first_type_of<Ts...>::type;
    return std::forward<return_type>(nth_value_of<0>((std::forward<Ts>(args))...));
}

// Helper function for retrieving the last value of an argument pack
template<typename... Ts>
auto last_value_of(Ts&&... args) ->
    decltype(
        std::forward<typename last_type_of<Ts...>::type>(
            std::declval<typename last_type_of<Ts...>::type>()
            )
        )
{
    using return_type = typename last_type_of<Ts...>::type;
    return std::forward<return_type>(nth_value_of<sizeof...(Ts) - 1>((std::forward<Ts>(args))...));
}

//===============================================================================
// METAFUNCTION FOR COMPUTING THE UNDERLYING TYPE OF HOMOGENEOUS PARAMETER PACKS

// Used as the underlying type of non-homogeneous parameter packs
struct null_type
{
};

// Declare primary template
template<typename... Ts>
struct homogeneous_type;

// Base step
template<typename T>
struct homogeneous_type<T>
{
    using type = T;
    static const bool isHomogeneous = true;
};

// Induction step
template<typename T, typename... Ts>
struct homogeneous_type<T, Ts...>
{
    // The underlying type of the tail of the parameter pack
    using type_of_remaining_parameters = typename homogeneous_type<Ts...>::type;

    // True if each parameter in the pack has the same type
    static const bool isHomogeneous = std::is_same<T, type_of_remaining_parameters>::value;

    // If isHomogeneous is "false", the underlying type is the fictitious null_type
    using type = typename std::conditional<isHomogeneous, T, null_type>::type;
};

// Meta-function to determine if a parameter pack is homogeneous
template<typename... Ts>
struct is_homogeneous_pack
{
    static const bool value = homogeneous_type<Ts...>::isHomogeneous;
};

//===============================================================================
// META-FUNCTIONS FOR CREATING INDEX LISTS

// The structure that encapsulates index lists
template <unsigned... Is>
struct index_list
{
};

// Collects internal details for generating index ranges [MIN, MAX)
namespace detail
{
    // Declare primary template for index range builder
    template <unsigned MIN, unsigned N, unsigned... Is>
    struct range_builder;

    // Base step
    template <unsigned MIN, unsigned... Is>
    struct range_builder<MIN, MIN, Is...>
    {
        typedef index_list<Is...> type;
    };

    // Induction step
    template <unsigned MIN, unsigned N, unsigned... Is>
    struct range_builder : public range_builder<MIN, N - 1, N - 1, Is...>
    {
    };
}

// Meta-function that returns a [MIN, MAX) index range
template<unsigned MIN, unsigned MAX>
using index_range = typename detail::range_builder<MIN, MAX>::type;

//===============================================================================
// CLASSES AND FUNCTIONS FOR REALIZING LOOPS ON ARGUMENT PACKS

// Implementation inspired by @jogojapan's answer to this question:
// http://stackoverflow.com/questions/14089637/return-several-arguments-for-another-function-by-a-single-function

// Collects internal details for implementing functor invocation
namespace detail
{
    // Functor invocation is realized through variadic inheritance.
    // The constructor of each base class invokes an input functor.
    // An functor invoker for an argument pack has one base class
    // for each argument in the pack

    // Realizes the invocation of the functor for one parameter
    template<unsigned I, typename T>
    struct invoker_base
    {
        template<typename F, typename U>
        invoker_base(F&& f, U&& u) { f(u); }
    };

    // Necessary because a class cannot inherit the same class twice
    template<unsigned I, typename T>
    struct indexed_type
    {
        static const unsigned int index = I;
        using type = T;
    };

    // The functor invoker: inherits from a list of base classes.
    // The constructor of each of these classes invokes the input
    // functor with one of the arguments in the pack.
    template<typename... Ts>
    struct invoker : public invoker_base<Ts::index, typename Ts::type>...
    {
        template<typename F, typename... Us>
        invoker(F&& f, Us&&... args)
            :
            invoker_base<Ts::index, typename Ts::type>(std::forward<F>(f), std::forward<Us>(args))...
        {
        }
    };
}

// The functor provided in the first argument is invoked for each
// argument in the pack whose index is contained in the index list
// specified in the second argument
template<typename F, unsigned... Is, typename... Ts>
void for_each_in_arg_pack_subset(F&& f, index_list<Is...> const& i, Ts&&... args)
{
    // Constructors of invoker's sub-objects will invoke the functor.
    // Note that argument types must be paired with numbers because the
    // implementation is based on inheritance, and one class cannot
    // inherit the same base class twice.
    detail::invoker<detail::indexed_type<Is, typename nth_type_of<Is, Ts...>::type>...> invoker(
        f,
        (nth_value_of<Is>(std::forward<Ts>(args)...))...
        );
}

// The functor provided in the first argument is invoked for each
// argument in the pack
template<typename F, typename... Ts>
void for_each_in_arg_pack(F&& f, Ts&&... args)
{
    for_each_in_arg_pack_subset(f, index_range<0, sizeof...(Ts)>(), std::forward<Ts>(args)...);
}

// The functor provided in the first argument is given in input the
// arguments in whose index is contained in the index list specified
// as the second argument.
template<typename F, unsigned... Is, typename... Ts>
void forward_subpack(F&& f, index_list<Is...> const& i, Ts&&... args)
{
    f((nth_value_of<Is>(std::forward<Ts>(args)...))...);
}

// The functor provided in the first argument is given in input all the
// arguments in the pack.
template<typename F, typename... Ts>
void forward_pack(F&& f, Ts&&... args)
{
    f(std::forward<Ts>(args)...);
}

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разбира се, въпреки че дадох собствен отговор на този въпрос (и всъщност поради този факт), любопитен съм да чуя дали съществуват алтернативни или по-добри решения, които съм пропуснал - освен споменатите в раздела „Свързани произведения“ на въпроса.

Позволете ми да публикувам този код въз основа на дискусията:

#include <initializer_list>
#define EXPAND(EXPR) std::initializer_list<int>{((EXPR),0)...}

// Example of use:
#include <iostream>
#include <utility>

void print(int i){std::cout << "int: " << i << '\n';}
int print(double d){std::cout << "double: " << d << '\n';return 2;}

template<class...T> void f(T&&...args){
  EXPAND(print(std::forward<T>(args)));
}

int main(){
  f();
  f(1,2.,3);
}

Проверих генерирания код с g++ -std=c++11 -O1 и main съдържа само 3 извиквания към print, няма следа от помощниците за разширяване.

Използване на решение за изброяване (ала Python).

Употреба:

void fun(int i, size_t index, size_t size) {
    if (index != 0) {
        std::cout << ", ";
    }

    std::cout << i;

    if (index == size - 1) {
        std::cout << "\n";
    }
} // fun

enumerate(fun, 2, 3, 4);

// Expected output: "2, 3, 4\n"
// check it at: http://liveworkspace.org/code/1cydbw$4

Код:

// Fun: expects a callable of 3 parameters: Arg, size_t, size_t
// Arg: forwarded argument
// size_t: index of current argument
// size_t: number of arguments
template <typename Fun, typename... Args, size_t... Is>
void enumerate_impl(Fun&& fun, index_list<Is...>, Args&&... args) {
    std::initializer_list<int> _{
        (fun(std::forward<Args>(args), Is, sizeof...(Is)), 0)...
    };
    (void)_; // placate compiler, only the side-effects interest us
}

template <typename Fun, typename... Args>
void enumerate(Fun&& fun, Args&&... args) {
    enumerate_impl(fun,
                   index_range<0, sizeof...(args)>(),
                   std::forward<Args>(args)...);
}

Създателят на гама (откраднат от вашето решение):

// The structure that encapsulates index lists
template <size_t... Is>
struct index_list
{
};

// Collects internal details for generating index ranges [MIN, MAX)
namespace detail
{
    // Declare primary template for index range builder
    template <size_t MIN, size_t N, size_t... Is>
    struct range_builder;

    // Base step
    template <size_t MIN, size_t... Is>
    struct range_builder<MIN, MIN, Is...>
    {
        typedef index_list<Is...> type;
    };

    // Induction step
    template <size_t MIN, size_t N, size_t... Is>
    struct range_builder : public range_builder<MIN, N - 1, N - 1, Is...>
    {
    };
}

// Meta-function that returns a [MIN, MAX) index range
template<size_t MIN, size_t MAX>
using index_range = typename detail::range_builder<MIN, MAX>::type;

Нотацията ... има някои интересни опции, като:

template<typename T>
int print(const T& x) {
  std::cout << "<" << x << ">";
  return 0;
}

void pass(...) {}

template<typename... TS>
void printall(TS... ts){
  pass(print(ts)...);
}

За съжаление, не знам за никакъв начин да наложа реда, в който се извикват функциите за печат (обратно, на моя компилатор). Имайте предвид, че print трябва да върне нещо.

Този трик може да бъде полезен, ако не държите на реда.

След като прочетох няколко други публикации и бърниках известно време, стигнах до следното (донякъде подобно на горното, но изпълнението е малко по-различно). Написах това с помощта на компилатора Visual Studio 2013.

Използване с помощта на ламбда израз -

static_for_each()(
    [](std::string const& str)
    {
        std::cout << str << std::endl;
    }, "Hello, ", "Lambda!");

Недостатъкът при използване на ламбда е, че параметрите трябва да са от същия тип, деклариран в списъка с параметри на ламбда. Това означава, че ще работи само с един тип. Ако искате да използвате шаблонна функция, можете да използвате следващия пример.

Употреба с помощта на функтор за обвивка на структура -

struct print_wrapper
{
    template <typename T>
    void operator()(T&& str)
    {
        std::cout << str << " ";
    }
};

// 
// A little test object we can use.
struct test_object
{
    test_object() : str("I'm a test object!") {}
    std::string str;
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, test_object t)
{
    os << t.str;
    return os;
}

//
// prints: "Hello, Functor! 1 2 I'm a test object!"
static_for_each()(print_wrapper(), "Hello,", "Functor!", 1, 2.0f, test_object());

Това ви позволява да предавате всякакви типове, които искате, и да работите с тях с помощта на функтора. Намерих това за доста чисто и работи добре за това, което исках. Можете също да го използвате с пакет от функционални параметри като този -

template <typename T, typename... Args>
void call(T f, Args... args)
{
    static_for_each()(f, args...);
}

call(print_wrapper(), "Hello", "Call", "Wrapper!");

Ето изпълнението -

// 
// Statically iterate over a parameter pack 
// and call a functor passing each argument.
struct static_for_each
{
private:
    // 
    // Get the parameter pack argument at index i.
    template <size_t i, typename... Args>
    static auto get_arg(Args&&... as) 
    -> decltype(std::get<i>(std::forward_as_tuple(std::forward<Args>(as)...)))
    {
        return std::get<i>(std::forward_as_tuple(std::forward<Args>(as)...));
    }

    //
    // Recursive template for iterating over 
    // parameter pack and calling the functor.
    template <size_t Start, size_t End>
    struct internal_static_for
    {
        template <typename Functor, typename... Ts>
        void operator()(Functor f, Ts&&... args)
        {
            f(get_arg<Start>(args...));
            internal_static_for<Start + 1, End>()(f, args...);
        }
    };

    //
    // Specialize the template to end the recursion.
    template <size_t End>
    struct internal_static_for<End, End>
    {
        template <typename Functor, typename... Ts>
        void operator()(Functor f, Ts&&... args){}
    };

public:
    // 
    // Publically exposed operator()(). 
    // Handles template recursion over parameter pack.
    // Takes the functor to be executed and a parameter 
    // pack of arguments to pass to the functor, one at a time.
    template<typename Functor, typename... Ts>
    void operator()(Functor f, Ts&&... args)
    {
        // 
        // Statically iterate over parameter
        // pack from the first argument to the
        // last, calling functor f with each 
        // argument in the parameter pack.
        internal_static_for<0u, sizeof...(Ts)>()(f, args...);
    }
};

Надяваме се, че хората намират това за полезно :-)