Как выполнять общие вычисления над разнородными пакетами аргументов вариативной шаблонной функции?

Поскольку мне не понравилось то, что я нашел, я попытался найти решение самостоятельно и в итоге написал небольшую библиотеку, которая позволяет формулировать общие операции с пакетами аргументов. Мое решение имеет следующие особенности:

• Позволяет перебирать все или некоторые элементы пакета аргументов, возможно, заданных путем вычисления их индексов в пакете;
• Позволяет пересылать вычисленные части пакета аргументов вариативным функторам;
• Требуется только включение одного относительно короткого файла заголовка;
• Широко использует идеальную пересылку, чтобы обеспечить интенсивное встраивание и избежать ненужных копий / перемещений, чтобы минимизировать потерю производительности;
• Внутренняя реализация итерационных алгоритмов полагается на оптимизацию пустого базового класса для минимизации потребления памяти;
• Его легко (относительно, учитывая метапрограммирование шаблонов) расширять и адаптировать.

Сначала я покажу что можно сделать с библиотекой, а затем затем опубликую ее реализацию.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ

Вот пример того, как функцию for_each_in_arg_pack() можно использовать для перебора всех аргументов пакета и передачи каждого аргумента на входе некоторому функтору, предоставляемому клиентом (конечно, функтор должен иметь общий оператор вызова, если пакет аргументов содержит значения разнородных типов):

// 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)...);
}

Вышеупомянутый функтор print также можно использовать в более сложных вычислениях. В частности, вот как можно перебирать подмножество (в данном случае поддиапазон) аргументов в пакете:

// 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
        );
}

Иногда может потребоваться просто перенаправить часть пакета аргументов в какой-либо другой вариадический функтор вместо того, чтобы перебирать его элементы и передавать каждый из них индивидуально в невариадический функтор. Вот что позволяет делать алгоритм 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)...);
}

Для более конкретных задач, конечно, можно получить определенные аргументы в пакете, проиндексировав их. Вот что позволяет делать функция nth_value_of() вместе со своими помощниками 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;
}

С другой стороны, если пакет аргументов однороден (т. Е. Все аргументы имеют один и тот же тип), предпочтительнее может быть формулировка, подобная приведенной ниже. Мета-функция is_homogeneous_pack<> позволяет определить, все ли типы в пакете параметров однородны, и в основном предназначена для использования в операторах 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;
}

Наконец, поскольку лямбда-выражения - это всего лишь синтаксический сахар для функторов, их также можно использовать в сочетании с описанными выше алгоритмами; однако до тех пор, пока в C ++ не будут поддерживаться общие лямбда-выражения, это возможно только для однородных пакетов аргументов. В следующем примере также показано использование мета-функции homogeneous-type<>, которая возвращает тип всех аргументов в однородном пакете:

 // ...
 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)...);

Это в основном то, что позволяет делать библиотека, но я считаю, что ее можно даже расширить для выполнения более сложных задач.

РЕАЛИЗАЦИЯ

Теперь идет реализация, которая сама по себе немного сложна, поэтому я буду полагаться на комментарии, чтобы объяснить код и не делать этот пост слишком длинным (возможно, это уже так):

#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

Конечно, даже несмотря на то, что я дал свой собственный ответ на этот вопрос (и на самом деле из-за этого факта), мне любопытно узнать, существуют ли альтернативные или лучшие решения, которые я пропустил - помимо упомянутых в разделе вопроса "Родственные работы".

Разрешите опубликовать этот код на основе обсуждения:

#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);
}

Я проверил сгенерированный код с g++ -std=c++11 -O1, а main содержит только 3 вызова print, помощников расширения нет.

Использование решения enumerate (как Python).

Использование:

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)...);
}

Построитель диапазона (украденный из вашего решения):

// 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;

В нотации ... есть несколько интересных опций, например:

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)...);
}

К сожалению, я не знаю способа принудительно установить порядок, в котором вызываются функции печати (в обратном порядке, в моем компиляторе). Обратите внимание, что print должен что-то возвращать.

Этот трюк может быть полезен, если вас не волнует порядок.

Прочитав несколько других сообщений и немного поработав, я пришел к следующему (что-то похожее на приведенное выше, но реализация немного отличается). Я написал это с помощью компилятора Visual Studio 2013.

Использование с использованием лямбда-выражения -

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

Обратной стороной использования лямбды является то, что параметры должны быть того же типа, что и объявлены в списке параметров лямбда. Это означает, что он будет работать только с одним типом. Если вы хотите использовать шаблонную функцию, вы можете использовать следующий пример.

Использование с использованием функтора структуры-оболочки -

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());

Это позволяет вам передавать любые типы, которые вам нужны, и работать с ними с помощью функтора. Я нашел это довольно чистым и хорошо работает для того, что я хотел. Вы также можете использовать его с таким пакетом параметров функции -

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

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

Вот реализация -

// 
// 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...);
    }
};

Надеюсь, люди сочтут это полезным :-)