C++中的變長參數(shù)

C++中的變長參數(shù)函數(shù)。這MemNew新參與的項目中，為了使用共享內(nèi)存和自定義內(nèi)存池，我們自己定義了MemNew函數(shù),且在函數(shù)內(nèi)部對于非pod類型自動執(zhí)行構造函數(shù)。在需要的地方調(diào)用自定義的函數(shù)。這MemNew樣就帶來一個問題，使用stl的類都有默認構造函數(shù)，以及復制構造函數(shù)等。但使用共享內(nèi)存和內(nèi)存池的類可能沒有默認構造函數(shù)，而是定義了多個參數(shù)的構造函數(shù)，于是如何將參數(shù)傳入函數(shù)便成了問題。1.變長參數(shù)函數(shù)首先回顧一下較多使用的變長參數(shù)函數(shù)，最經(jīng)典的便是printfoexternintprintf(constchar*format,...);以上是一個變長參數(shù)的函數(shù)聲明。我們自己定義一個測試函數(shù)：復制代碼#include<stdarg.h>#include<stdio.h>inttestparams(intcount,...){va_listargs;va_start(args,count);for(inti=0;i<count;++i){intarg=va_arg(args,int);printf("arg%d=%d",i,arg);}va_end(args);return0;}intmain(){testparams(3,10,11,12);return0;}復制代碼變長參數(shù)函數(shù)的解析，使用到三個宏va_start,va_arg和va_end,再看va_list的定義typedefchar*va_list;只是一個char指針。這幾個宏如何解析傳入的參數(shù)呢？函數(shù)的調(diào)用，是一個壓棧，保存，跳轉的過程。簡單的流程描述如下：把參數(shù)從右到左依次壓入棧；調(diào)用call指令，把下一條要執(zhí)行的指令的地址作為返回地址入棧；(被調(diào)用函數(shù)執(zhí)行完后會回到該地址繼續(xù)執(zhí)行)當前的ebp(基址指針)入棧保存，然后把當前esp(棧頂指針)賦給ebp作為新函數(shù)棧幀的基址；執(zhí)行被調(diào)用函數(shù)，局部變量等人棧；返回值放入eax,leave,ebp賦給esp,esp所存的地址賦給ebp;(這里可能需要拷貝臨時返回對象)從返回地址開始繼續(xù)執(zhí)行；(把返回地址所存的地址給eip)由于開始的時候從右至左把參數(shù)壓棧，va_start傳入最左側的參數(shù)，往右的參數(shù)依次更早被壓入棧，因此地址依次遞增(棧頂?shù)刂纷钚?。va_arg傳入當前需要獲得的參數(shù)的類型，便可以利用sizeof計算偏移量，依次獲取后面的參數(shù)值。復制代碼#define_INTSIZEOF(n)((sizeof(n)+sizeof(int)-1)&~(sizeof(int)-1))#define_ADDRESSOF(v)(&const_cast<char&>(reinterpret_cast<constvolatilechar&>(v)))#define_crt_va_start_a(ap,v)((void)(ap=(va_list)_ADDRESSOF(v)+_INTSIZEOF(v)))#define_crt_va_arg(ap,t)(*(t*)((ap+=_INTSIZEOF(t))-_INTSIZEOF(t)))#define_crt_va_end(ap)((void)(ap=(va_list)0))#define_crt_va_start(ap,x)((void)(vcrtvastartverifyargumenttype<decltype(x)>(),_crt_va_start_a(ap,x)))#defineva_start_crt_va_start#defineva_arg_crt_va_arg#defineva_end_crt_va_end復制代碼上述宏定義中，_INTSIZEOF(n)將地址的低2位指令，做內(nèi)存的4字節(jié)對齊。每次取參數(shù)時，調(diào)用_crt_va_arg(ap,t)，返回t類型參數(shù)地址的值，同時將ap偏移到t之后。最后，調(diào)用_crt_va_end(ap)將ap置0.變長參數(shù)的函數(shù)的使用及其原理看了宏定義是很好理解的。從上文可知，要使用變長參數(shù)函數(shù)的參數(shù)，我們必須知道傳入的每個參數(shù)的類型。printf中，有format字符串中的特殊字符組合來解析后面的參數(shù)類型。但是當傳入類的構造函數(shù)的參數(shù)時，我們并不知道每個參數(shù)都是什么類型，雖然參數(shù)能夠依次傳入函數(shù)，但無法解析并獲取每個參數(shù)的數(shù)值。因此傳統(tǒng)的變長參數(shù)函數(shù)并不足以解決傳入任意構造函數(shù)參數(shù)的問題。2.變長參數(shù)模板我們需要用到C++11的新特性，變長參數(shù)模板。這里舉一個使用自定義內(nèi)存池的例子。定義一個內(nèi)存池類MemPool.h,以count個類型T為單元分配內(nèi)存，默認分配一個對象。每當內(nèi)存內(nèi)空閑內(nèi)存不夠，則一次申請MEMPOOL_NEW_SIZE個內(nèi)存對象。內(nèi)存池本身只負責內(nèi)存分配，不做初始化工作，因此不需要傳入任何參數(shù)，只需實例化模板分配相應類型的內(nèi)存即可。復制代碼#ifndefUTIL_MEMPOOL_H#defineUTIL_MEMPOOL_H#include<stdlib.h>#defineMEMPOOL_NEW_SIZE8template<typenameT,size_tcount=1>classMemPool11private:121314151617181920212223242526272829303132333435363738394041424344454647484950515253545556unionMemObj{char_obj[1];MemObj*_freelink;};public:staticvoid*Allocate。{if(!_freelist){refill();}MemObj*alloc_mem=_freelist;_freelist=_freelist->_freelink;++_size;return(void*)alloc_mem;}staticvoidDeAllocate(void*p){MemObj*q=(MemObj*)p;q->_freelink=_freelist;_freelist=q;--_size;}staticsize_tTotalSize(){return_totalsize;}staticsize_tSize(){return_size;}private:staticvoidrefill(){size_tsize=sizeof(T)*count;char*new_mem=(char*)malloc(size*MEMPOOL_NEW_SIZE);for(inti=0;i<MEMPOOL_NEW_SIZE;++i){MemObj*free_mem=(MemObj*)(new_mem+i*size);free_mem->_freelink=_freelist;_freelist=free_mem;}.totalsize+=MEMPOOL_NEW_SIZE;staticMemObj*_freelist;staticsize_t_totalsize;staticsize_t_size;};6162template<typenameT,size_tcount>63typenameMemPool<T,count>::MemObj*MemPool<T,count>::_freelist=NULL;6465template<typenameT,size_tcount>66size_tMemPool<T,count>::_totalsize=0;6768template<typenameT,size_tcount>69size_tMPool<T,count>::_size=0;70#endif復制代碼接下來在沒有變長參數(shù)的情況下，實現(xiàn)通用MemNew和MemDelete函數(shù)模板。這里不對函數(shù)模板作詳細解釋，用函數(shù)模板我們可以對不同的類型實現(xiàn)同樣的內(nèi)存池分配操作。如下:復制代碼template<classT>T*MemNew(size_tcount){T*p=(T*)MemPool<T,count>::Allocate();if(p!=NULL)TOC\o"1-5"\h\z{if(!std::is_pod<T>::value){for(size_ti=0;i<count;++i){new(&p[i])TO;}}}returnp;}template<classT>T*MemDelete(T*p,size_tcount){if(p!=NULL){if(!std::is_pod<T>::value){for(size_ti=0;i<count;++i)27p[i].~T();27placementnew將報錯。對于placementnew將報錯。對于pod類型，可以省去調(diào)用構造函std::forward<Args>實現(xiàn)參數(shù)的完美轉發(fā)。這樣，無論傳入的類2829)30MemPool<T,count>::DeAllocate(p);31)32)復制代碼上述實現(xiàn)中，使用placementnew對申請的內(nèi)存進行構造，使用了默認構造函數(shù)，當申請內(nèi)存的類型不具備默認構造函數(shù)時，數(shù)的過程。引入C++11變長模板參數(shù)后MemNew修改為如下復制代碼template<classT,class...Args>T*MemNew(size_tcount,Args&&…args){T*p=(T*)MemPool<T,count>::Allocate。；if(p!=NULL)TOC\o"1-5"\h\z{if(!std::is_pod<T>::value){for(size_ti=0;i<count;++i){new(&p[i])T(std::forward<Args>(args)...);)))returnp;)復制代碼以上函數(shù)定義包含了多個特性，后面我將一一解釋，其中class...Args表示變長參數(shù)模板，函數(shù)參數(shù)中Args&&為右值引用。型具有什么樣的構造函數(shù),都能夠完美執(zhí)行placementnew。C++11中引入了變長參數(shù)模板的概念，來解決參數(shù)個數(shù)不確定的模板。復制代碼template<class…T>classTest{};Test<>test0;Test<int>test1;Test<int,int>test2;Test<int,int,long>test3;template<class...T>voidtest(T...args);test();test<int>(0);10test<int,int,long>(0,0,0L);復制代碼以上分別是使用變長參數(shù)類模板和變長參數(shù)函數(shù)模板的例子。2.1變長參數(shù)函數(shù)模板T...args為形參包,其中args是模式，形參包中可以有0到任意多個參數(shù)。調(diào)用函數(shù)時，可以傳任意多個實參。對于函數(shù)定義來說，該如何使用參數(shù)包呢？在上文的MemNew中，我們使用std::forward依次將參數(shù)包傳入構造函數(shù)，并不關注每個參數(shù)具體是什么。如果需要，我們可以用sizeof...(args)操作獲取參數(shù)個數(shù)，也可以把參數(shù)包展開，對每個參數(shù)做更多的事。展開的方法有兩種，遞歸函數(shù)，逗號表達式。遞歸函數(shù)方式展開，模板推導的時候，一層層遞歸展開，最后到?jīng)]有參數(shù)時用定義的一般函數(shù)終止。復制代碼1voidtest。2{3}4template<classT,class...Args>voidtest(Tfirst,Args...args)7{std::cout<<typeid(T).name0<<""<<first<<std::endl;test(args...);}11test<int,int,long>(0,0,0L);output:int0int0long0復制代碼逗號表達式方式展開，利用數(shù)組的參數(shù)初始化列表和逗號表達式，逐一執(zhí)行print每個參數(shù)。復制代碼template<classT>voidprint(Targ)3{std::cout<<typeid(T).name()<<""<<arg<<std::endl;}6template<class...Args>voidtest(Args...args)9{intarr[]={(print(args),0)...};}13test(0,0,0L);14output:int0int0long0復制代碼2變長參數(shù)類模板變長參數(shù)類模板，一般情況下可以方便我們做一些編譯期計算?？梢酝ㄟ^偏特化和遞歸推導的方式依次展開模板參數(shù)。復制代碼template<classT,class...Types>classTest{public:enum{value=Test<T>::value+Test<Types...>::value,};};template<classT>classTest<T>{public:enum{value=sizeof(T),};};Test<int,int,long>test;std::cout<<test.value;output:12復制代碼2.3右值引用和完美轉發(fā)對于變長參數(shù)函數(shù)模板，需要將形參包展開逐個處理的需求不多，更多的還是像本文的MemNew這樣的需求，最終整個傳入某個現(xiàn)有的函數(shù)。我們把重點放在參數(shù)的傳遞上。要理解右值引用，需要先說清楚左值和右值。左值是內(nèi)存中有確定存儲地址的對象的表達式的值；右值則是非左值的表達式的值。const左值不可被賦值，臨時對象的右值可以被賦值。左值與右值的根本區(qū)別在于是否能用&運算符獲得內(nèi)存地址。復制代碼inti=0;//i左值int*p=&i;//i左值int&foo();foo()=42;//foo()左值int*pl=&foo();//foo()左值intfoo1();intj=0;j=foo1();//foo右值intk=j+1;//j+1右值int*p2=&foo1();//錯誤，無法取右值的地址j=1;//1右值復制代碼理解左值和右值之后，再來看引用，對左值的引用就是左值引用，對右值(純右值和臨終值)的引用就是右值引用。如下函數(shù)foo,傳入int類型,返回int類型,這里傳入函數(shù)的參數(shù)0和返回值0都是右值印能用&取得地址)。于是，未做優(yōu)化的情況下，傳入?yún)?shù)0的時候，我們需要把右值0拷貝給param,函數(shù)返回的時候需要將0拷貝給臨時對象，臨時對象再拷貝給res。當然現(xiàn)在的編譯器都做了返回值優(yōu)化，返回對象是直接創(chuàng)建在返回后的左值上的，這里只用來舉個例子復制代碼intfoo(intparam){printf("%d",param);return0;}intres=foo(0);復制代碼顯然，這里的拷貝都是多余的。可能我們會想要優(yōu)化，首先將參數(shù)int改為int&，傳入左值引用，于是0無法傳入了，當然我們可以改成constint&,這樣終于省去了傳參的拷貝。intfoo(constint¶m){printf("%d",param);return0;}由于constint&既可以是左值也可以是右值，傳入0或者int變量都能夠滿足。(但是似乎既然有左值引用的int&類型,就應該有對應的傳入右值引用的類型int&&)。另外，這里返回的右值0,似乎不通過拷貝就無法賦值給左值res。于是有了移動語義，把臨時對象的內(nèi)容直接移動給被賦值的左值對象(std::move)。和右值引用，X&&是到數(shù)據(jù)類型X的右值引用。復制代碼intresult=0;int&&foo(int&¶m)printf("%d",param);returnstd::move(result);)int&&res=foo(0);int*pres=&res;復制代碼將foo改為右值引用參數(shù)和返回值，返回右值引用，免去拷貝。這里res是具名引用，運算符右側的右值引用作為左值，可以取地址。右值引用既有左值性質(zhì)，也有右值性質(zhì)。上述例子還只存在于拷貝的性能問題。回到MemNew這樣的函數(shù)模板。復制代碼template<classT>T*Test(Targ){returnnewT(arg);)template<classT>T*Test(T&arg){returnnewT(arg);)template<classT>T*Test(constT&arg){returnnewT(arg);)template<classT>T*Test(T&&arg){returnnewT(std::forward<T>(arg));)復制代碼上述的前三種方式傳參，第一種首先有拷貝消耗，其次有的參數(shù)就是需要修改的左值。第二種方式則無法傳常數(shù)等右值。第三種方式雖然左值右值都能傳，卻無法對傳入的參數(shù)進行修改。第四種方式使用右值引用，可以解決參數(shù)完美轉發(fā)的問題。std::forward能夠根據(jù)實參的數(shù)據(jù)類型，返回相應類型的左值和右值引用，將參數(shù)完整不動的傳遞下去。解釋這個原理涉及到引用塌縮規(guī)則T&&->T&T&&&->T&T&&&&->T&&復制代碼template<classT>structremove_reference{typedefTtype;};template<classT>structremove_reference<T&>{typedefTtype;};template<classT>structremove_reference<T&&>{typedefTtype;};template<classT>T&&forward(typenamestd::remove_reference<T>::type&t){returnstatic_cast<T&&>(t);}template<classT>typenamestd::remove_reference<T>::type&&move(T&&a)noexcept{returnstatic_cast<typenamestd::remove_referen