深入理解可变参数
1.C语言方式
目录
1.1.宏介绍
C语言中的可变参数是指函数可以接受可变数量的参数。这些参数的数量在编译时是未知的。在这些可变参数中的参数类型可以相同，也可以不同；可变参数的每个参数并没有实际的名称与之相对应，用起来是很灵活；在头文件stdarg.h中，涉及到的宏有：
va_list :? ?是指向参数的指针 ，通过指针运算来调整访问的对象
va_start ：获取可变参数列表的第一个参数的地址
va_arg ： 获取可变参数的当前参数，返回指定类型并将指针指向下一参数
va_end ： 清空va_list可变参数列表
1.2.原理详解
函数的参数是存放在栈中，地址是连续的，所以可以通过相对位置去访问，这也是可变参数的访问方式；变长参数的实现需要依赖于C语言默认的cdecl调用惯例的自右向左压栈传递方式；可变参数是由1.1介绍的几个宏来实现，但是由于硬件平台的不同，编译器的不同，宏的定义也不相同，下面是AMD CPU?x64平台下的定义：
typedef char* va_list;va_list的定义
//[1]
#ifdef __cplusplus
#define _ADDRESSOF(v) (&reinterpret_cast<const char &>(v))
#else
#define _ADDRESSOF(v) (&(v))
#endif
//[2]
#define va_start _crt_va_start
#define va_arg _crt_va_arg
#define va_end _crt_va_end
#define va_copy(destination, source) ((destination) = (source))
//[3]
#define _PTRSIZEOF(n) ((sizeof(n) + sizeof(void*) - 1) & ~(sizeof(void*) - 1))//系统内存对齐
#define _ISSTRUCT(t) ((sizeof(t) > sizeof(void*)) || (sizeof(t) & (sizeof(t) - 1)) != 0)
#define _crt_va_start(v,l) ((v) = (va_list)_ADDRESSOF(l) + _PTRSIZEOF(l))
#define _crt_va_arg(v,t) _ISSTRUCT(t) ? \
(**(t**)(((v) += sizeof(void*)) - sizeof(void*))) : \
( *(t *)(((v) += sizeof(void*)) - sizeof(void*)))
#define _crt_va_end(v) ((v) = (va_list)0)
#define _crt_va_copy(d,s) ((d) = (s))从上面的源码可以看出:
1) va_list??v; 定义一个指向char类型的指针v。
2) va_start(v,l) ；执行 v = (va_list)&l + _PTRSIZEOF(l) ，v指向参数 l 之后的那个参数的地址，即 v指向第一个可变参数在堆栈的地址。
3) va_arg(v,t) ， ( (t )((v += _PTRSIZEOF(t)) - _PTRSIZEOF(t)) ) 取出当前v指针所指的值，并使 v 指向下一个参数。 v＋=sizeof(t类型) ，让v指向下一个参数的地址。然后返回 v - sizeof(t类型) 的t类型指针，这正是第一个可变参数在堆栈里的地址。然后 用取得这个地址的内容。
va_end(v) ; 清空 va_list v。
1.3.宏的可变参数
标准C/C++语言宏定义的参数允许用三个小数点?...?表示这里是可变参数，在宏替换的时候，用?__VA_ARGS__?表示?...?位置的所有的参数，例如：
#define example1(...) printf(__VA_ARGS__)
#define example2(fmt, ...) printf(fmt, __VA_ARGS__)很多编译器扩展了可变参数的宏替换，参数后面带三个小数点，这样的写法更容易记忆，宏定义的参数后面可以带三个小数点，表示这里是可变参数，宏替换的时候，直接写这个参数就表示这个位置是所有的可变参数了。例如：
#define example1(fmt...) printf(fmt)
#define example2(fmt, args...) printf(fmt, args)1.4.案例分析
#include <iostream>
#include <stdarg.h>
void printValues(const char* format, ...) {
va_list args; // 定义一个va_list类型的变量
va_start(args, format); // 初始化args
for (const char* arg = format; *arg != '\0'; ++arg) {
if (*arg == '%') {
++arg;
switch (*arg) {
case 'd': // 对于整数
std::cout << va_arg(args, int);
break;
case 's': // 对于字符串
std::cout << va_arg(args, char*);
break;
default:
std::cout << "Invalid format specifier: " << *arg;
}
}
else {
std::cout << *arg;
}
}
va_end(args); // 清理va_list变量
}
int main() {
printValues("say self info: %s, age %d\n", "xiao", 45); //输出: say self info xiao, age 45
return 0;
}printValues函数调用的时候展开为：
void printValues(const char* format, const char* param1, int param2)从上面的代码来分析一下这个示例：在windows中，栈由高地址往低地址生长,调用printValues函数时，其参数入栈情况如下：
当调用va_start(args, format)时：args指针指向情况对应下图：
????????当调用va_arg(args, ...)时，它必须返回一个由va_list所指向的恰当的类型的数值，同时递增args，使它指向参数列表中的一个参数(即递增的大小等于与va_arg宏所返回的数值具有相同类型的对象的长度)。因为类型转换的结果不能作为赋值运算的目标，所以va_arg宏首先使用sizeof来确定需要递增的大小，然后把它直接加到va_list上，这样得到的指针再被转换为要求的类型。
????????在上面的示例中，我们定义了一个名为printValues的函数，它接受一个格式字符串和一个可变数量的参数。我们使用va_list、va_start、va_arg和va_end这些宏来处理可变参数。在格式字符串中，我们使用%来指定参数的类型，例如%d表示整数，%s表示字符串。然后，我们使用va_arg宏来获取相应的参数值。最后，我们使用va_end宏来清理va_list变量。
1.5.其他实例
1) printf实现
#include <stdarg.h>
int printf(char *format, ...)
{
va_list ap;
int n;
va_start(ap, format);
n = vprintf(format, ap);
va_end(ap);
return n;
}2)定制错误打印函数error
#include <stdio.h>
#include <stdarg.h>
void error(char *format, ...)
{
va_list ap;
va_start(ap, format);
fprintf(stderr, "Error: ");
vfprintf(stderr, format, ap);
va_end(ap);
fprintf(stderr, "\n");
return;
}2.C++之std::initializer_list
????????在C++中我们一般用（）和=初始化参数或对象，还可以用{}来初始化参数或对象，比如数组的初始化int m[] = {1,4,5}，除了数组，在STL里面很多标准的容器和自定义类型都用{}?进行初始化。
????????自C++11标准开始就引入了列表初始化的概念，即支持使用{}对变量或对象进行初始化，且与传统的变量初始化的规则一样，也分为拷贝初始化和直接初始化两种方式。
2.1.简介
std::initializer_list<T> 类型对象是一个访问 const T 类型对象数组的轻量代理对象。
std::initializer_list 对象在这些时候自动构造：
1）用花括号初始化器列表列表初始化一个对象，其中对应构造函数接受一个 std::initializer_list 参数，如std::vector的构造函数? vector(initializer_list<_Ty> _Ilist, const _Alloc& _Al = _Alloc())
2）以花括号初始化器列表为赋值的右运算数，或函数调用参数，而对应的赋值运算符/函数接受 std::initializer_list 参数
3）绑定花括号初始化器列表到 auto ，包括在范围 for 循环中
initializer_list 可由一对指针或指针与其长度实现。复制一个 std::initializer_list 不会复制其底层对象。
注意：
a、底层数组不保证在原始 initializer_list 对象的生存期结束后继续存在。?std::initializer_list?的存储是未指定的（即它可以是自动、临时或静态只读内存，依赖场合）。
b、底层数组是?const?T[N]?类型的临时数组，其中每个元素都从原始初始化器列表的对应元素复制初始化（除非窄化转换非法）。底层数组的生存期与任何其他临时对象相同，除了从数组初始化 initializer_list 对象会延长数组的生存期，恰如绑定引用到临时量（有例外，例如对于初始化非静态类成员）。底层数组可以分配在只读内存。
c、若声明了?std::initializer_list?的显式或偏特化则程序为谬构。
2.2.原理详解
源码面前无秘密，直接上源码：
template <class _Elem>
class initializer_list {
public:
using value_type = _Elem;
using reference = const _Elem&;
using const_reference = const _Elem&;
using size_type = size_t;
using iterator = const _Elem*;
using const_iterator = const _Elem*;
constexpr initializer_list() noexcept : _First(nullptr), _Last(nullptr) {} //1
constexpr initializer_list(const _Elem* _First_arg, const _Elem* _Last_arg) noexcept
: _First(_First_arg), _Last(_Last_arg) {} //2
_NODISCARD constexpr const _Elem* begin() const noexcept {
return _First;
}
_NODISCARD constexpr const _Elem* end() const noexcept {
return _Last;
}
_NODISCARD constexpr size_t size() const noexcept {
return static_cast<size_t>(_Last - _First);
}
private:
const _Elem* _First;
const _Elem* _Last;
};
// FUNCTION TEMPLATE begin
template <class _Elem>
_NODISCARD constexpr const _Elem* begin(initializer_list<_Elem> _Ilist) noexcept {
return _Ilist.begin();
}
// FUNCTION TEMPLATE end
template <class _Elem>
_NODISCARD constexpr const _Elem* end(initializer_list<_Elem> _Ilist) noexcept {
return _Ilist.end();
}????????从上面的STL的std::initializer_list源码来看，std::initializer_list是一个模版类，定义了指向该类对象首端、尾端的迭代器（即常量对象指针const T*），实际上就是对{}表达式内容的简单封装，当使用{}时，就会调用 initializer_list(const _Elem* _First_arg, const _Elem* _Last_arg) 构造出std::initializer_list。
????????当得到了一个std::initializer_list对象后，再来寻找标准容器中以std::initializer_list为形参的构造函数，并调用该构造函数对容器进行初始化。
2.3.案例分析
示例1：
class IMessageField1 {};
//1
void addMessageField(std::initializer_list<IMessageField1*> t)
{
std::vector<IMessageField1*> pTest(t);
}
#if 0
//2
void addMessageField(std::vector<IMessageField1*> t)
{
std::vector<IMessageField1*> pTest(t);
}
#endif
void main()
{
//[1]
std::unique_ptr<IMessageField1> a(new IMessageField1);
std::unique_ptr<IMessageField1> b(new IMessageField1);
std::unique_ptr<IMessageField1> c(new IMessageField1);
std::unique_ptr<IMessageField1> d(new IMessageField1);
std::unique_ptr<IMessageField1> e(new IMessageField1);
addMessageField({ a.get(), b.get(), c.get(), d.get(), e.get() });
}? ?上面代码1和2的方式都可以实现功能，2的方式实际上也是先临时生成一个std::initializer_list，再调用std::vector的构造函数临时生成一个std::vector，最后再用刚生成的std::vector初始化pTest，相比1的方式，多了几重复制，效率比较低，一般采用1的方式实现功能。
示例2：
#include <iostream>
#include <vector>
#include <initializer_list>
template <class T>
struct S {
std::vector<T> v;
S(std::initializer_list<T> l) : v(l) {
std::cout << "constructed with a " << l.size() << "-element list\n";
}
void append(std::initializer_list<T> l) {
v.insert(v.end(), l.begin(), l.end());
}
std::pair<const T*, std::size_t> c_arr() const {
return {&v[0], v.size()}; // 在 return 语句中复制列表初始化
// 这不使用 std::initializer_list
}
};
template <typename T>
void templated_fn(T) {}
int main()
{
int a1[] = { 1,2,3,4,5,6 }; //数组拷贝初始化
int a2[]{ 5,6,7,8,9,0 }; //数组直接初始化
S<int> s = {1, 2, 3, 4, 5}; // 复制初始化
s.append({6, 7, 8}); // 函数调用中的列表初始化
std::cout << "The vector size is now " << s.c_arr().second << " ints:\n";
for (auto n : s.v)
std::cout << n << ' ';
std::cout << '\n';
std::cout << "Range-for over brace-init-list: \n";
for (int x : {-1, -2, -3}) // auto 的规则令此带范围 for 工作
std::cout << x << ' ';
std::cout << '\n';
auto al = {10, 11, 12}; // auto 的特殊规则
std::cout << "The list bound to auto has size() = " << al.size() << '\n';
// templated_fn({1, 2, 3}); // 编译错误！“ {1, 2, 3} ”不是表达式，
// 它无类型，故 T 无法推导
templated_fn<std::initializer_list<int>>({1, 2, 3}); // OK
templated_fn<std::vector<int>>({1, 2, 3}); // 也 OK
}输出:
constructed with a 5-element list
The vector size is now 8 ints:
1 2 3 4 5 6 7 8
Range-for over brace-init-list:
-1 -2 -3
The list bound to auto has size() = 3示例3：
struct MyTest{
explicit X(int a, int b) :a(a), b(b) { std::cout << "MyTest(int a,int b)\n"; }
int a{};
int b{};
};
int main() {
MyTest x{ 1,2 }; //OK
MyTest x2( 1,2 ); //OK
MyTest x3 = { 1,2 }; //Error
}MyTest x3 ={1,2};?参考复制初始化的规则:复制列表初始化（考虑 explicit 和非 explicit 构造函数，但只能调用非 explicit 构造函数）
3.C++之可变参数模版
3.1.简介
一个可变参数模板就是一个可以接受可变参数的模版函数或模板类；参数的类型是一种模板，是可经推导的，可以是任意存在的类型（系统类型或自定义类型）；参数数目可变的，可以包括零个、一个或多个；可变数目的参数被称为参数包(parameter packet)。存在两种参数包:模板参数包(template parameter packet)，表示零个或多个模板参数;函数参数包function parameterpacket)，表示零个或多个函数参数。如：
template<typename... Arguments> class vtclass;
vtclass< > vtinstance1;
vtclass<int> vtinstance2;
vtclass<float, bool> vtinstance3;
vtclass<long, std::vector<int>, std::string> vtinstance4;3.2.可变参数个数
利用sizeof...()计算可变参数的大小，如：
template<class... Types>
struct count
{
static const std::size_t value = sizeof...(Types);
};3.3.递归包展开
C++的包展开是通过?args...?的形式，后面...?就意味着展开包，需要两个函数：递归终止函数?和?递归函数，过程就是参数包在展开的过程中递归调用自己，每调用一次参数包中的参数就会少一个，直到所有的参数都展开为止，当没有参数时，则调用递归终止函数终止递归过程。如下：
#include <iostream>
using namespace std;
void print() {
cout << endl;
}
template <typename T>
void print(const T& t) { //边界条件
cout << t << endl;
}
template <typename First, typename... Rest>
void print(const First& first, const Rest&... rest) {
cout << first << ", ";
print(rest...); //打印剩余参数，注意省略号必须有
}
int main()
{
print(); // calls first overload, outputting only a newline
print(1); // calls second overload
// these call the third overload, the variadic template,
// which uses recursion as needed.
print(10, 20); //输出： 10, 20
print(100, 200, 300); //输出：100, 200, 300
print("first", 2, "third", 3.14159); //输出： first, 2, third, 3.14159
}3.4.逗号表达式展开
逗号表达式是会从左到右依次计算各个表达式，并将最后一个表达式的值作为返回值返回；我们将最后一个表达式设为整型值，所以最后返回的是一个整型；将处理参数个数的动作封装成一个函数，将该函数作为逗号表达式的第一个表达式；…代表参数包，列表展开。如：
template <class T>
void printArg(T t) {
cout << t << endl;
}
//展开参数包
template <class ...Args>
void expand(Args... args) {
int arr[] = { (printArg(args), 0)... };
}
int main()
{
expand(1);
expand(1, 'A');
expand(1, "hello", 3);
return 0;
}函数执行expand(1, "hello", 3);的时候，调用expand，数组arr初始化会展开args参数，变化为：
int arr[] = {(printArg(1), 0), (printArg("hello"), 0), (printArg(3), 0)};根据逗号表达式的规则，arr[] 还是?{0,0,0};
另外，还可以利用std::initializer_list 可以接收任意长度的初始化列表来展开包，如：
template<class F, class... Args>
void expand(const F& f, Args&&...args) {
std::initializer_list<int>{(f(std::forward< Args>(args)), 0)...};
}
int main()
{
expand([](int i) { cout << i << endl; }, 23, 44, 2423);
return 0;
}3.5.Lambda 捕获
包展开可以在?lambda?表达式的捕获子句中出现：
template<class... Args>
void f(Args... args)
{
auto lm = [&, args...] { return g(args...); };
lm();
}3.6.转发参数包
在C++11标准下，我们可以组合使用可变参数模板与std::forword机制来编写函数，实现将其实参不变地传递给其他函数,关于std::forward的详解讲解，可参考我的博客:C++之std::forward_c++ std::forward-CSDN博客
借助std::forward<Args>(args)...?就可以实现参数的完美转发了,如STL中map的插入函数emplace下：
template <class... _Valty>
iterator emplace(_Valty&&... _Val)
{
return _Mybase::emplace(_STD forward<_Valty>(_Val)...).first;
}4.总结
纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行。
参考
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