1.6、折叠表达式

折叠表达式是什么？

在C++11中，我们有了变参模板，可以接受任意数量的模板参数，但处理这些参数包时，往往需要递归展开，代码复杂且效率不高。C++17的折叠表达式，提供了一种非递归、编译期展开参数包的语法糖，让你可以用一行表达式就把所有参数“折叠”成一个值。

简单来说，折叠表达式就是把参数包里的所有元素，用一个二元操作符（比如加号+、逻辑与&&、逗号,等）连接起来，形成一个整体表达式。它在编译时展开，不会带来运行时开销。

折叠表达式的四种语法形式

折叠表达式的语法有四种，区分依据是：

• • 是否带有初始值（称为二元折叠，否则为一元折叠）
• • 折叠方向（左折叠还是右折叠）

这里pack是参数包，op是二元操作符，init是初始值。

简洁、高效、类型安全

折叠表达式的设计哲学在于：

• • 简洁：用一行表达式代替递归模板，代码更短更易读。
• • 高效：编译器直接展开，不产生递归调用，避免编译时深度限制。
• • 类型安全：编译期类型检查，确保操作符适用参数类型。
• • 灵活：支持32种操作符，包括算术、逻辑、位运算、逗号等，适用范围广。

深度案例讲解：从入门到高级

1. 基础案例：求和函数

template<typename... Args>
auto sum(Args... args) {
    return (args + ...); // 一元右折叠
}

调用sum(1, 2, 3, 4)时，折叠展开为：
1 + (2 + (3 + 4))
这就是一元右折叠的展开方式。

如果改成一元左折叠：

return (... + args);

展开为：
((1 + 2) + 3) + 4

对于加法这种交换律操作符，结果相同。但对于减法，结果就不同了：

template<typename... Args>
auto left_sub(Args... args) {
    return (... - args); // 一元左折叠
}

template<typename... Args>
auto right_sub(Args... args) {
    return (args - ...); // 一元右折叠
}

调用left_sub(1,2,3,4)结果为((1 - 2) - 3) - 4 = -8
调用right_sub(1,2,3,4)结果为1 - (2 - (3 - 4)) = -2
这说明折叠方向对非交换操作符结果有影响，必须根据需求选择。

2. 带初始值的二元折叠

假设你想写一个求和函数，空参数时返回0：

template<typename... Args>
auto sum_with_init(Args... args) {
    return (0 + ... + args); // 二元左折叠，初始值0
}

空参数时返回0，参数不空时正常求和。

3. 结合逗号运算符实现多参数调用

逗号运算符的特性是先执行左边表达式，再执行右边表达式，返回右边结果。折叠表达式中用逗号运算符可以实现对每个参数执行某操作：

template<typename... Args>
void printAll(Args&&... args) {
    (std::cout << ... << args) << std::endl; // 左折叠打印所有参数
}

template<typename Func, typename... Args>
void forEach(Func&& f, Args&&... args) {
    (f(args), ...); // 一元右折叠，依次调用f(args)
}

forEach([](auto x){ std::cout << x << ' '; }, 1, 2, 3); 会依次调用lambda打印1 2 3。

4. 高级案例：通过折叠表达式遍历二叉树路径

假设有如下二叉树节点：

struct Node {
    int value;
    Node* left;
    Node* right;
};

我们定义路径成员指针：

auto left = &Node::left;
auto right = &Node::right;

用折叠表达式实现路径遍历：

template<typename... Paths>
Node* traverse(Node* start, Paths... paths) {
    return (start->* ... ->* paths);
}

调用traverse(root, left, right, left)相当于：
((root->*left)->*right)->*left
这样利用折叠表达式简洁地实现了多级成员指针访问。

底层细节解析

折叠表达式在编译期展开为一串二元操作符连接的表达式，避免了递归模板实例化的深度限制。编译器根据折叠方向和是否有初始值，生成对应的表达式树。

一元折叠没有初始值，参数包为空时，只有&&、||和逗号运算符有默认值（分别为true、false和void()），其他操作符空包会导致编译错误。

二元折叠有初始值，空包时返回初始值，保证了安全性。

折叠表达式的类型安全体现在编译期，操作符必须对所有参数类型有效，否则编译失败。

常见错误及误区

• • 折叠方向不当：对非交换操作符如减法、除法，左右折叠结果不同，使用时需谨慎。
• • 空参数包处理不当：一元折叠空包时，除&&、||、逗号外会编译失败，需用二元折叠加初始值规避。
• • 操作符限制：折叠表达式只支持特定32种操作符，不能用自定义操作符。
• • 类型不匹配：参数类型不支持指定操作符时，编译报错。

总结

折叠表达式是C++17对变参模板的重大改进，设计简洁高效，消除了递归展开的繁琐和限制。掌握折叠表达式，能让你写出更简洁、类型安全且性能优异的模板代码。理解折叠方向、初始值、空包处理等细节，是深入运用的关键。结合实际案例练习，能帮助你在日常开发和面试中脱颖而出。
本文首发于【讳疾忌医-note】公众号，未经授权，不得转载。
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