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C++11 tuple元组详解

C++11 标准新引入了一种类模板,命名为 tuple(中文可直译为元组)。tuple 最大的特点是:实例化的对象可以存储任意数量、任意类型的数据。

tuple 的应用场景很广泛,例如当需要存储多个不同类型的元素时,可以使用 tuple;当函数需要返回多个数据时,可以将这些数据存储在 tuple 中,函数只需返回一个 tuple 对象即可。

本节,我们将给大家详细地讲解 tuple 的用法。

tuple对象的创建

tuple 本质是一个以可变模板参数定义的类模板,它定义在 <tuple> 头文件并位于 std 命名空间中。因此要想使用 tuple 类模板,程序中需要首先引入以下代码:
#include <tuple>
using std::tuple;
实例化 tuple 模板类对象常用的方法有两种,一种是借助该类的构造函数,另一种是借助 make_tuple() 函数。

1) 类的构造函数

tuple 模板类提供有很多构造函数,包括:
1) 默认构造函数
constexpr tuple();
2) 拷贝构造函数
tuple (const tuple& tpl);
3) 移动构造函数
tuple (tuple&& tpl);
4) 隐式类型转换构造函数
template <class... UTypes>
    tuple (const tuple<UTypes...>& tpl); //左值方式
template <class... UTypes>
    tuple (tuple<UTypes...>&& tpl);      //右值方式
5) 支持初始化列表的构造函数
explicit tuple (const Types&... elems);  //左值方式
template <class... UTypes>
    explicit tuple (UTypes&&... elems);  //右值方式
6) 将pair对象转换为tuple对象
template <class U1, class U2>
    tuple (const pair<U1,U2>& pr);       //左值方式
template <class U1, class U2>
    tuple (pair<U1,U2>&& pr);            //右值方式

举个例子:
#include <iostream>     // std::cout
#include <tuple>        // std::tuple
using std::tuple;

int main()
{
    std::tuple<int, char> first;                             // 1)   first{}
    std::tuple<int, char> second(first);                     // 2)   second{}
    std::tuple<int, char> third(std::make_tuple(20, 'b'));   // 3)   third{20,'b'}
    std::tuple<long, char> fourth(third);                    // 4)的左值方式, fourth{20,'b'}
    std::tuple<int, char> fifth(10, 'a');                    // 5)的右值方式, fifth{10.'a'}
    std::tuple<int, char> sixth(std::make_pair(30, 'c'));    // 6)的右值方式, sixth{30,''c}
    return 0;
}

2) make_tuple()函数

上面程序中,我们已经用到了 make_tuple() 函数,它以模板的形式定义在 <tuple> 头文件中,功能是创建一个 tuple 右值对象(或者临时对象)。

对于 make_tuple() 函数创建了 tuple 对象,我们可以上面程序中那样作为移动构造函数的参数,也可以这样用:
auto first = std::make_tuple (10,'a');   // tuple < int, char >
const int a = 0; int b[3];
auto second = std::make_tuple (a,b);     // tuple < int, int* >
程序中分别创建了 first 和 second 两个 tuple 对象,它们的类型可以直接用 auto 表示。

tuple常用函数

为了方便您在实际开发中使用 tuple 对象,tupe 模板类提供了一个功能实用的成员函数,<tuple> 头文件中也提供了一些和操作 tuple 对象相关的函数模板和类模板,如表 1 所示。

表 1 tuple 对象常用函数
函数或类模板 描 述
tup1.swap(tup2)
swap(tup1, tup2)
tup1 和 tup2 表示类型相同的两个 tuple 对象,tuple 模板类中定义有一个 swap() 成员函数,<tuple> 头文件还提供了一个同名的 swap() 全局函数。

swap() 函数的功能是交换两个 tuple 对象存储的内容。
get<num>(tup) tup 表示某个 tuple 对象,num 是一个整数,get() 是 <tuple> 头文件提供的全局函数,功能是返回 tup 对象中第 num+1 个元素。
tuple_size<type>::value tuple_size 是定义在 <tuple> 头文件的类模板,它只有一个成员变量 value,功能是获取某个 tuple 对象中元素的个数,type 为该tuple 对象的类型。
tuple_element<I, type>::type tuple_element 是定义在 <tuple> 头文件的类模板,它只有一个成员变量 type,功能是获取某个 tuple 对象第 I+1 个元素的类型。
forward_as_tuple<args...> args... 表示 tuple 对象存储的多个元素,该函数的功能是创建一个 tuple 对象,内部存储的 args... 元素都是右值引用形式的。
tie(args...) = tup tup 表示某个 tuple 对象,tie() 是 <tuple> 头文件提供的,功能是将 tup 内存储的元素逐一赋值给 args... 指定的左值变量。
tuple_cat(args...) args... 表示多个 tuple 对象,该函数是 <tuple> 头文件提供的,功能是创建一个 tuple 对象,此对象包含 args... 指定的所有 tuple 对象内的元素。

tuple 模板类对赋值运算符 = 进行了重载,使得同类型的 tuple 对象可以直接赋值。此外,tuple 模板类还重载了 ==、!=、<、>、>=、<= 这几个比较运算符,同类型的 tuple 对象可以相互比较(逐个比较各个元素)。

下面的程序给您演示了表 1 中一部分函数模板和类模板的功能:
#include <iostream>
#include <tuple>

int main()
{
    int size;
    //创建一个 tuple 对象存储 10 和 'x'
    std::tuple<int, char> mytuple(10, 'x');
    //计算 mytuple 存储元素的个数
    size = std::tuple_size<decltype(mytuple)>::value;
    //输出 mytuple 中存储的元素
    std::cout << std::get<0>(mytuple) << " " << std::get<1>(mytuple) << std::endl;
    //修改指定的元素
    std::get<0>(mytuple) = 100;
    std::cout << std::get<0>(mytuple) << std::endl;
    //使用 makde_tuple() 创建一个 tuple 对象
    auto bar = std::make_tuple("test", 3.1, 14);
    //拆解 bar 对象,分别赋值给 mystr、mydou、myint
    const char* mystr = nullptr;
    double mydou;
    int myint;
    //使用 tie() 时,如果不想接受某个元素的值,实参可以用 std::ignore 代替
    std::tie(mystr, mydou, myint) = bar;
    //std::tie(std::ignore, std::ignore, myint) = bar;  //只接收第 3 个整形值
    //将 mytuple 和 bar 中的元素整合到 1 个 tuple 对象中
    auto mycat = std::tuple_cat(mytuple, bar);
    size = std::tuple_size<decltype(mycat)>::value;
    std::cout << size << std::endl;
    return 0;
}
程序执行结果为:

10 x
100
5

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