C++标准库元组（tuple）源码浅析

一、什么是元组

元组不是什么新鲜东西，在数学、python语言还有我们今天要说的C++都有元组。

简单地说，元组就是一组东西，例如，在讲代数拓扑的时候，经常把拓扑空间X和其中一点x作为一个偶对(X, x)，这其实就是个元组，点的坐标也可以看成一个元组。C++中的元组（tuple）是这个样子的：

std::tuple<int, std::string> tu{ 2,"12iop" };

一个tuple可以包含不同类型的成员，例如上面的tu包含一个int和一个字符串。

二、用法

在考察源码之前，我们必须先知道它的用法。

要想使用tuple，要包含头文件<tuple>：

#include <tuple>

tuple实际上是一个有可变参数的类模板，使用的时候，传入若干个参数将其特化。

struct Point
{
    int x;
    int y;
};
 
void main()
{
    std::tuple<int, std::string> t1{ 1,"qwer" }; // 一个由int和字符串组成的tuple
    constexpr std::tuple<int, void*> t2{ 1,nullptr }; // 一个由int和void*组成的tuple
    std::tuple<int, Point> t3{ 1,{20,89} }; // 一个由int和Point结构体组成的tuple
    std::tuple<int, char, std::string> t4{ 1,'t',"qwer" }; // 一个由int、char、字符串组成的tuple
}

上面的代码中，我用constexpr修饰了t2，这是完全正确的，std::tuple的构造函数是constexpr的。

获取tuple中的值，用std::get。这不是函数，而是函数模板，我们需要传入size_t类型的变量将其特化，或者传入一个类型，告诉它我们需要取出元组中的哪个类型的成员。

struct Point
{
    int x;
    int y;
};
 
void main()
{
    std::tuple<int, std::string> t1{ 1,"qwer" };
    constexpr std::tuple<int, void*> t2{ 10,nullptr };
    std::tuple<int, Point> t3{ 1,{20,89} };
    std::tuple<int, char, std::string> t4{ 1,'t',"qwer" };
 
    std::cout << std::get<0>(t1) << std::endl; // 1
 
    constexpr int n2 = std::get<0>(t2);
    std::cout << n2 << std::endl; // 10
 
    auto s = std::get<char>(t4);
    std::cout << s << std::endl; // t
}

std::get也是constexpr的，所以n2也是一个编译时的常量。

我们通过get<char>的方式得到了s，它是char类型的变量。std::get<T>可以从tuple中获取到第一个类型为T的成员。

tuple也可以用【==】和【!=】比较是否相等：

std::tuple<int, std::string> t5{ 1,"qwer" };
 
if (t1 == t5)
{
    std::cout << "==" << std::endl;
}

介绍tuple的用法不是本文的主要内容，故到此为止。有兴趣的同学可以自行查阅资料。

接下来，是时候考察一看源码了。

三、源码分析

tuple是个可变参数的类模板：

template<typename... _Types>
class tuple;

这是对类模板的声明。

接下来，实现参数个数为零的空tuple。

3.1 tuple<>

struct allocator_arg_t
{};
 
template<>
class tuple<>
{
public:
    typedef tuple<> _Myt;
 
    constexpr tuple() noexcept
    {}
 
    template<typename _Alloc>
    tuple(allocator_arg_t, const _Alloc&) noexcept
    {}
 
    constexpr tuple(const tuple&) noexcept
    {}
 
    template<class _Alloc>
    tuple(allocator_arg_t, const _Alloc&, const _Myt&) noexcept
    {}
 
    void swap(_Myt&) noexcept
    {}
 
    constexpr bool _Equals(const _Myt&) const noexcept
    {
        return true;
    }
 
    constexpr bool _Less(const _Myt&) const noexcept
    {
        return false;
    }
};

allocator_arg_t是个空的结构体，暂时不管它。_Myt就是tuple<>自己，这样写起来方便一些。

tuple<>定义了空的构造函数和拷贝构造函数（空tuple没什么可做的）。

成员函数swap用于与另一个tuple<>交换内容，因为没什么可交换的，函数体当然是空的。

_Equals用来判断两个tuple<>是否相等，它返回true，这是显然的（所有的tuple<>都是一个样子）。

_Less从函数名看，是为了比较大小，但如果遇到没有重载<的类型呢？暂时不管它。

有了空tuple的定义，就可以定义非空的tuple。

3.2 非空的tuple

template<class _This,
class... _Rest>
class tuple<_This, _Rest...>
    : private tuple<_Rest...>
{
    // 内容
}

n(>0)个元素的tuple私有继承了n-1个元素的tuple。显然这是一种递归定义，最终会递归到tuple<>，而tuple<>是已经定义好了得。

例如，tuple<int, char, short>私有继承了tuple<char, short>，而tuple<char, short>又私有继承了tuple<short>，tuple<short>私有继承了tuple<>。由于私有继承可以实现“has-a”功能，所以，这样的方式可以将不同类型的对象组合在一起。如下图：

那么，tuple是如何存储其中的元素呢？

template<class _This,
class... _Rest>
class tuple<_This, _Rest...>
    : private tuple<_Rest...>
{	// recursive tuple definition
public:
    typedef _This _This_type;
    typedef tuple<_This, _Rest...> _Myt;
    typedef tuple<_Rest...> _Mybase;
    static const size_t _Mysize = 1 + sizeof...(_Rest);
    
    _Tuple_val<_This> _Myfirst;	// 存储的元素
}

原来，它有个成员叫_Myfirst，它就是用来存储_This类型的变量的。你会看到_Myfirst的类型不是_This而是_Tuple_val<_This>，其实，_Tuple_val又是一个类模板，它的代码这里就不展开了，简而言之，它的作用是存储一个tuple中的变量。_Myfirst._Val才是真正的元素。

这个tuple只存储一个元素，类型为_Rest...的其他元素存在基类_MyBase即tuple<_Rest...>中。我们仍然以tuple<int, char, short>为例，tuple<int, char, short>存储了一个int，有基类tuple<char, short>；而tuple<char, short>存储了一个char，有基类tuple<short>；tuple<short>存储了一个short，有基类tuple<>；tuple没有基类也不存储任何元素。

3.3 构造函数

tuple的构造函数没什么可说的，就是初始化_Myfirst和_MyBase，当然，_MyBase也要进行么一个过程，直到tuple<>。

    constexpr tuple(): _Mybase(), _Myfirst()
    {}
 
    constexpr explicit tuple(const _This& _This_arg,
        const _Rest&... _Rest_arg)
        : _Mybase(_Rest_arg...),
        _Myfirst(_This_arg)
    {}
    
    tuple(const _Myt&) = default;
    tuple(_Myt&&) = default;

它还提供了默认拷贝构造函数和移动构造函数（移动语义是C++11中新增的特性，请自行查阅资料）。其实，它还有很多构造函数，写起来挺热闹，无非就是用不同的方式为它赋初值，故省略。

3.4 部分成员函数

tuple重载了赋值符号（=），这样，tuple之间是可以赋值的

    template<class... _Other>
    _Myt& operator=(const tuple<_Other...>& _Right)
    {	// assign by copying same size tuple
        _Myfirst._Val = _Right._Myfirst._Val;
        _Get_rest() = _Right._Get_rest();
        return (*this);
    }

赋值符号返回左边的引用，这种行为和C++的内置类型是一致的。_Get_rest是tuple的成员函数，作用是把除了_Myfirst之外的那些元素拿出来。

接下来是成员函数_Equals，

template<class... _Other>
constexpr bool _Equals(const tuple<_Other...>& _Right) const
{
    static_assert(_Mysize == sizeof...(_Other), "comparing tuple to object with different size");
    return (_Myfirst._Val == _Right._Myfirst._Val && _Mybase::_Equals(_Right._Get_rest()));
}

其中进行了静态断言，如果两个tuple的元素个数不相同，会引发一个编译时的错误。如果对应的类型不能用==进行比较，在模板特化时也会引发编译期的错误，例如，tuple<std::string, int>不能和tuple<int, char>比较，因为std::string和int是不能用==进行比较的。

前面提到的_Get_rest在这里：

_Mybase& _Get_rest() noexcept
{
    return (*this);
}
 
constexpr const _Mybase& _Get_rest() const noexcept
{
    return (*this);
}

它返回对基类的引用。*this的类型虽然是_Myt，但根据C++语法（可以把派生类的引用赋给对基类的引用），所以这样做是没问题的。