C++17 变参模板与折叠表达式实现通用打印函数

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在 C++17 之前，想要在一个函数里打印任意数量、任意类型的参数，通常需要递归模板或显式重载。C++17 引入了 折叠表达式（fold expression），它让实现这类通用函数变得既简洁又高效。下面我们将从零开始，演示如何编写一个 print_all 函数，支持任意数量、任意类型的参数，并将它们逐个输出到标准输出。

1. 变参模板的基本概念

变参模板（variadic template）允许模板参数列表中包含可变数量的类型或非类型参数。语法：

template<typename... Ts>
void func(Ts... args);

这里 Ts... 表示一个类型包，args... 表示对应的参数包。编译器会根据调用时提供的实参自动推导出具体的类型。

2. 折叠表达式简介

折叠表达式可以把一个二元操作符应用到参数包的每个元素上，生成一个单一表达式。例如：

(... + args)   // 左折叠：((args1 + args2) + args3) + ...
(args + ...)   // 右折叠
(... + args + ...) // 中折叠

在 C++17 之前，想把每个参数输出到 std::cout，常见做法是：

template<typename T, typename... Ts>
void print_all(const T& first, const Ts&... rest) {
    std::cout << first << ' ';
    if constexpr (sizeof...(rest) > 0) {
        print_all(rest...);
    }
}

使用折叠表达式可以一次性完成这件事，无需递归。

3. 直接使用折叠表达式实现 print_all

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <string>
#include <utility>

template<typename... Args>
void print_all(const Args&... args) {
    // 先将每个参数转换成字符串，再输出
    // 这里用逗号分隔，并在最后加换行
    ((std::cout << args << ' '), ...);
    std::cout << '\n';
}

解释：

  • ((std::cout << args << ' '), ...) 是 左折叠 的写法。它等价于 ((std::cout << args1 << ' ') , (std::cout << args2 << ' ') , ... )。
  • 由于 operator<< 返回 std::ostream&，所以可以链式调用。
  • ... 会把整个表达式扩展开来，按顺序对每个参数执行。

4. 处理不同类型的输出

上述实现对大多数内置类型（int、double、char等）和已重载 operator<< 的类都能正常工作。若想让输出更美观（比如给浮点数设置精度，或者给字符串添加引号），可以写一个辅助函数或使用 std::apply。下面给出一个稍微复杂的版本：

template<typename T>
void print_arg(const T& value) {
    std::cout << value;
}

template<>
void print_arg<std::string>(const std::string& value) {
    std::cout << '"' << value << '"';
}

template<typename... Args>
void print_all(const Args&... args) {
    ((print_arg(args), std::cout << ' '), ...);
    std::cout << '\n';
}

5. 示例使用

int main() {
    print_all(42, 3.14, "hello", std::string("world"), 'A');

    // 输出：
    // 42 3.14 "hello" "world" A 
    return 0;
}

6. 性能与可读性

  • 编译时展开：折叠表达式在编译期展开，生成的代码与手写递归版本没有差异，且编译器可以进行更好的优化。
  • 代码简洁：只需要一行核心代码，极大提升可读性。
  • 灵活性：可以轻松扩展 print_arg 特化，实现自定义类型的定制化输出。

7. 常见问题解答

问题 解决方案
折叠表达式不支持 C++14 必须使用 C++17 或更高版本编译器。
参数为空怎么办？ 通过 if constexpr (sizeof...(args) == 0) 检查，并打印提示或不打印。
想在每个参数之间使用自定义分隔符 用 (... << separator << args) 方式，或在 print_arg 中加入分隔符。

8. 结语

折叠表达式让变参模板变得更加强大和易用。通过少量代码即可实现一个功能齐全的通用打印函数，既提高了开发效率，又保持了代码的可读性和可维护性。下次需要输出任意参数时，记得试试折叠表达式吧！

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