C++17： 用折叠表达式实现一个IsAllTrue函数

前言

让我们实现一个 IsAllTrue 函数，支持变长参数，可传入多个表达式，必须全部计算为true，该函数才返回true。

本文记录了逐步实现与优化该函数的思维链，用到了以下现代C++新特性知识，适合对C++进阶知识有一定了解的人。这样一种从实际问题来学习和运用知识的过程还是挺有趣的，特此整理分享一下。

1. 可变长参数模板 (C++11)
2. 折叠表达式 (C++17)
3. 条件编译 if constexpr (C++17)
4. 类型萃取 type traits (C++11)
5. 完美转发std::forward (C++11)
6. 结构化绑定 std::bind (C++11)

初级版本——基于初始化列表实现

可以使用初始化列表 std::initializer_list 存储多个bool变量，实现传入多个bool值的目的，这种方法实际上该函数只有一个参数，实现如下：

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});

这个方法的实现简单易用，但是对于代码有更高追求的人并不满足于此，以上实现存在如下问题：

1. 传入参数是一个初始化列表，需要写大括号{}，不够优雅。
2. 调用函数前计算了每一个条件表达式，但实际任意一个为false，即可返回，可能存在如下问题：
   1. 不必要的函数调用带来一定计算开销；
   2. 当前后表达式存在依赖关系时，比如 p && p →a ，如果p是指针且为空， 计算p→a 会导致程序崩溃。

对于不了解这个函数用法的人而言，使用这个实现是会存在一定风险的。所以我们需要想办法利用 && 实现短路求值，以及对函数结果的延迟计算。

进阶版本——基于折叠表达式实现

折叠表达式(Fold expressions)

折叠表达式是C++17引入的新特性，可通过二元操作符折叠可变长参数模板中的参数包。这个特性的引入是为了简化C++11可变长参数模板的使用。

• 根据左右方向可分为左折叠和右折叠：

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

( pack op... )  //一元右折叠，从右往左计算， 等同于(E1 op (... op (EN-1 op EN)))
( ... op pack ) //一元左折叠，从左往右计算， 等同于(((E1 op E2) op ...) op EN)

在大多数情况下，对于交换律成立的操作符（如 + 和 *），左折叠和右折叠的结果是相同的。然而，对于非交换的操作符，结果可能不同，例如减法或除法。

• 根据是否有初始值可分为一元和二元：

二元折叠表达式分为：二元右折叠（Binary right fold）和 二元左折叠（Binary left fold）。

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

• 使用二元左折叠的例子

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

基于一元右折叠的IsAllTrue函数

基于 &&运算符的一元右折叠(Unary right fold)实现IsAllTrue如下：

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

• 注：折叠表达式的最外层括号是必须的。

但以上实现，该模板本质上仍只能支持变长的多个bool参数，这会导致先计算出bool值再传入，仍未实现函数结果的延迟计算。

使用type traits 进一步优化

如何可以实现延迟计算呢？首先我们可以明确下，传递给该函数的参数类型，可能是bool值、可以计算出bool值的表达式或可调用对象、可转换为bool值的指针和数值。

总体可分为两类，一类是可转换为bool的表达式，另一类是可计算出bool的可调用对象。

由于参数类型(bool、函数对象、指针等)和类型特征(是否可调用、是否可以转成bool)均是可以在编译期确定的。

为了避免在编译期把模板参数类型都推断为bool，可定义 IsTrue 函数模板定义表达式bool值的计算方式，使模板可以推断出原表达式自身的类型，从而可以延迟其计算过程。其中用到了编译期条件if constexpr 和 一种类型萃取是否可调用 std::is_invocable_v ，这两个均是C++17引入的特性。

如果具备可调用的特征，则进行函数调用并返回结果；否则，将其转换为bool值返回。实现如下：

template <typename T>
bool IsTrue(T&& value) {
    if constexpr (std::is_invocable_v<T>) {
        // 如果是可调用对象，调用它并返回结果
        return std::forward<T>(value)();
    } else {
        // 否则，将其转换为bool
        return static_cast<bool>(std::forward<T>(value));
    }
}

基于以上模板改写 IsAllTure 模板函数 ：

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

该实现的本质是我们希望在用N个表达式传入该模板函数后，模板实例化为形同如下形式，从而可以实现短路机制：

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

函数测试

对以上代码进行如下测试，注释为输出结果，可以看到，能够满足我们的需求：

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);  // 输出lambda true
IsAllTrue(false, lambdaTrue); // 无输出，实现了短路机制以及延迟计算
IsAllTrue(p, p->a);  // 正常运行，不会coredump

以上为了方便，均使用定义了无参lambda函数进行了测试。为了延迟一般含参函数的计算结果，能够方便传入带参数的函数对象，还可以基于std::bind实现一个用于生成可调用对象的函数：

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

比如：

bool less(int a, int b) {
	return a < b;
}

IsAllTrue(true, make_callable(less, 1, 2));

完整测试代码：https://compiler-explorer.com/z/fTvq7Y36Y

知识总结

本文使用了以下C++知识实现了一个高效的IsAllTrue函数，优点为它的使用安全且较为高效，缺点在于代码实现较为复杂，对C++知识掌握程度要求较高，过多使用也会导致代码体积膨胀。

1. 条件编译if constexpr ：
   • 这个关键字用于在编译时判断是否满足条件。如果 T 是可调用对象（例如 lambda 或函数对象），则调用它并返回结果。
   • 如果 T 不是可调用对象，则将其转换为 bool。
2. 类型萃取std::is_invocable_v：
   • 这是一个用于判断类型 T 是否可调用的特性。如果 T 是可调用对象，则 std::is_invocable_v<T> 返回 true。
   • 需要包含 <type_traits> 头文件
3. 完美转发 std::forward：
   • std::forward<T>(value) 确保参数的完美转发，保留其左值或右值性质。
4. 可变长参数模板：支持可变数量的参数包，语法用 T ... args表示。
5. 折叠表达式
   • 使用了C++17中的折叠表达式 ，它会对参数从左到右进行求值。
   • 简化了可变长参数模板的使用，提供了一种简洁而直观的方式来对参数包进行展开和操作，从而避免了递归或显式循环的繁琐。
6. 结构化绑定 std::bind ：可绑定参数args到一个函数f，并返回一个可调用对象。

参考

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

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