開發框架Qt使用教程：使用C++17 fold表達式實現高效的QString拼接

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Qt是目前最先進、最完整的跨平臺C++開發工具。它不僅完全實現了一次編寫，所有平臺無差別運行，更提供了幾乎所有開發過程中需要用到的工具。如今，Qt已被運用于超過70個行業、數千家企業，支持數百萬設備及應用。

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在C++中，不論使用標準庫（即STL）還是Qt,我們都習慣使用運算符+實現字符串拼接。我們可以編寫如下代碼：

QString statement{"I'm not"};
QString number{"a number"};
QString space{" "};
QString period{". "};
QString result = statement + space + number + period;

但這會有一個很大的缺陷：不必要地產生臨時的中間結果。也就是說，在前面的示例中，我們有一個臨時字符串來保存statement + space的結果，然后該字符串與number拼接起來，這會產生另一個臨時字符串。第二個臨時字符串再與period拼接，并產生最終結果字符串，最后銷毀前述所有臨時字符串。

這意味著我們有幾乎和運算符+一樣多不必要的內存分配和釋放。而且，還要多次拷貝相同的內容。例如，statement字符串的內容首先被復制到第一個臨時對象中，然后從第一個臨時對象復制到第二個臨時對象中，然后從第二個臨時對象復制到最終結果中。

可以用一個效率高得多的方式，即創建一個字符串實例，預先分配最終所需的內存，然后反復調用QString::append函數來逐個追加所有要拼接的字符串：

QString result;
result.reserve(statement.length() + number.length() + space.length() + period.length();
result.append(statement);
result.append(number);
result.append(space);
result.append(period);

 或者，我們可以使用QString::resize替換QString::reserve，然后使用std::copy（或std::memcpy）把數據復制到其中（稍后我們將看到如何使用std::copy進行字符串拼接）。這可能會稍微提高性能（取決于編譯器的優化），因為QString::append需要檢查字符串的容量是否足夠大以包含結果字符串。std::copyalgorithm沒有這個無用的額外檢查，這可能會給它一點優勢。

這兩種方法都比使用運算符+效率高得多，但是如果每次我們想要拼接幾個字符串時都必須這樣寫代碼會很煩人。

std::accumulate算法

在我們繼續討論Qt如何解決這個問題之前，還有一個可行的方法：Qt 6中我們將引入一個C++ 17中的優雅的特性，它可以解決這個問題，這里就要介紹一下這個標準庫中最重要和最強大的算法之一：std::accumulate。

假設我們有一個字符串序列（例如QVector），我們希望將它們拼接起來，而不是將它們放在單獨的變量中。

使用std::accumulate的字符串拼接代碼如下：

QVector<QString> strings{ . . . };
std::accumulate(strings.cbegin(), strings.cend(), QString{});

該算法實現了您期望的功能——它從一個空的QString開始，并將向量中的每個字符串相加，從而創建一個拼接字符串。

然而由于在默認情況下std::accumulate在內部使用運算符+，因此這與我們最初使用運算符+進行拼接的示例一樣效率低下。

為了像前一節一樣優化這個實現，我們可以只使用std::accumulate來計算結果字符串的大小，而不使用它進行整體拼接：

QVector<QString> strings{ . . . };
QString result;
result.resize(
    std::accumulate(strings.cbegin(), strings.cend(),
                    0, [] (int acc, const QString& s) {
                        return s.length();
                    }));

這次，std::accumulate從初始值0開始，對于字符串向量中的每個字符串，它將該初始值的長度相加，最后返回向量中所有字符串的長度總和。 

這就是std::accumulate對大多數人的意義——某種求和算法。但這只是一種相當粗淺的認知。

在第一個例子中，我們對向量中的所有字符串進行了求和（即拼接字符串）。但第二個例子有點不同。我們實際上不是求向量元素的和。該向量包含QString，而我們求和的是int。

這就是std::accumulate功能強大的原因：事實上，我們可以向它傳遞一個自定義操作。該操作函數輸入先前的累積值和源集合的一個元素，并生成新的累積值。std::accumulate第一次調用操作函數時，會把初始值作為累積值傳遞給它，同時把源集合的第一個元素傳遞給它。該操作函數將計算出新的累積值并將其與源集合的第二個元素一起傳遞給操作函數的下一個調用。這將重復，直到處理完整個源集合，算法將返回最終操作函數調用的結果。 

 如前一個代碼片段所示，累積值甚至不需要與向量中的元素具有相同的類型。當累積值是整數時，源向量是一個字符串向量。

我們可以利用它來做一些有趣的事情。

前面提到的std::copy算法接收一個被復制的序列（是一對輸入iterator）和復制目標（是一個輸出iterator），它指向拷貝的目標集合和起始點。算法返回一個iterator，指向復制目標集合中最后一個被復制項之后的元素。

這就說明，如果我們使用std::copy將一個源字符串的數據復制到目標字符串中，我們應該讓iterator指向將要存放字符串數據的位置。

于是，我們就有了一個這樣的函數：它接受一個字符串（作為一對iterator）和一個輸出迭代器，并為我們返回一個新的輸出迭代器。這就可以用于std::accumulate的操作函數，來實現高效的字符串拼接了：

QVector<QString> strings{ . . . };
QString result;
result.resize( . . . );

std::accumulate(strings.cbegin(), strings.cend(), result.begin(),
                [] (const auto& dest, const QString& s) {
                    return std::copy(s.cbegin(), s.cend(), dest);
                });

對std::copy的第一次調用將把第一個字符串復制到result.begin()指向的目標。它將返回result字符串中最后一個復制字符之后的iterator，然后vector中的第二個字符串將從這個位置開始復制。之后再復制第三個字符串，依此類推。

最終，我們得到一個拼接后的字符串。

遞歸表達式模板

現在我們可以回來討論如何用Qt的運算符+實現高效的字符串拼接了。

QString result = statement + space + number + period;

我們已經知道，字符串拼接的性能問題源于C++會分步解析上述表達式，多次調用運算符+，并且每次調用都會產生新的QString實例。

雖然我們不能改變C++的解析過程，但是我們可以使用一種稱為表達式模板（expression templates）的方式來延遲結果字符串的實際計算，直到整個表達式解析全部完成。這需要將運算符+的返回類型從原來的QString改為一種自定義類型，該類型只存儲要被拼接的字符串，而不實際執行拼接。

實際上，這正是Qt從4.6版本開始且當快速字符串拼接功能被激活后的運行機制。運算符+將返回名為QStringBuilder的隱藏模板類的實例而不是QString。QStringBuilder模板類只是一個簡單形式，它包含對傳遞給運算符+的參數引用。

基本上，就產生了一個更復雜的版本：

template <typename Left, typename Right>
class QStringBuilder {
    const Left& _left;
    const Right& _right;
};

拼接多個字符串時，您將得到一個更復雜的類型，其中多個QStringBuilder相互嵌套。像這樣：

QStringBuilder<QString, QStringBuilder<QString, QStringBuilder<QString, QString>>>

這種類型只是用了一種復雜的方式來表達“我有四個字符串需要拼接”。

當我們請求將QStringBuilder轉換為QString時（例如，通過將其分配給結果QString），它將首先計算所有包含的字符串的總大小，然后將分配該大小的QStringinstance，最后，它將字符串逐個復制到結果字符串中。

從本質上講，它的功能與我們之前做的完全相同，但它是自動完成的，完全不需要我們費力。

可變參模板（Variadic templates）

當前QStringBuilder實現的問題是：它通過嵌套實現能容納任意數量字符串的容器。每個QStringBuilder實例可以恰好包含兩個項，可以是字符串或是其他QStringBuilder實例。

這意味著QStringBuilder的所有實例都是一種二叉樹，其中QString是葉節點。每當需要對包含的字符串執行某些操作時，QStringBuilder需要處理其左子樹，然后遞歸地處理右子樹。

除了使用二叉樹，我們還可以使用可變參模板（C++ 11引入，設計QStringBuilder時還沒有）。可變參模板允許我們創建具有任意數量的模板參數的類和函數。

這意味著，通過使用std::tuple（元組，C++11引入的新特性）我們可以創建一個QStringBuilder模板類，包含任意多個字符串：

template <typename... Strings>
class QStringBuilder {
    std::tuple<Strings...> _strings;
};

 每當獲得一個新的字符串且要添加到QStringBuilder時，我們只需使用std::tuple_cat將兩個元組拼接起來（通過運算符%而不是運算符+，因為QString和QStringBuilder支持此運算符）：

template <typename... Strings>
class QStringBuilder {
    std::tuple<Strings...> _strings;

    template <typename String>
    auto operator%(String&& newString) &&
    {
        return QStringBuilder<Strings..., String>(
            std::tuple_cat(_strings, std::make_tuple(newString)));
    }
};

折疊表達式

大概思路就是這樣，但問題是我們如何處理可變參模板的參數包（即Strings ...）。

在C++ 17中，我們得到了一個新的結構體，用于處理可變參模板的參數包，稱為折疊表達式（Fold expressions）。

折疊表達式的一般形式如下（運算符+可以替換為其他一些二元運算符，如*，%等）：

(init + ... + pack)

或者

(pack + ... + init)

第一個變體稱為左折疊表達式，將操作視為左結合性（即從左到右優先結合），第二個變體稱為右折疊表達式，因為它將操作視為右結合性（即從右到左優先結合）。

如果想使用折疊表達式拼接模板參數包中的字符串，可以這樣做：

template <typename... Strings>
auto concatenate(Strings... strings)
{
    return (QString{} + ... + strings);
}

 這將首先對初始值QString{}和參數包的第一個元素調用運算符+。然后，它將根據上一次調用的結果和參數包的第二個元素調用運算符+。以此類推，直到處理完所有元素都。

聽起來很熟悉，對吧？

可以發現，它和std::accumulate的行為非常類似。唯一的區別是std::accumulate算法是處理數據的運行時序列（向量、數組、列表等），而折疊表達式處理的是編譯時序列，即可變參模板的參數包。

 我們可以遵循與std::accumulate相同的步驟來優化之前的拼接實現。首先，我們需要計算所有字符串長度的和。這對于折疊表達式來說非常簡單：

template <typename... Strings>
auto concatenate(Strings... strings)
{
    const auto totalSize = (0 + ... + strings.length());
    . . .
}

當折疊表達式展開參數包時，它將得到以下表達式：

0 + string1.length() + string2.length() + string3.length()

于是，我們得到了結果字符串的大小。現在可以繼續分配一個能夠容納結果的字符串，并將源字符串逐個追加到該字符串中。

如前所述，折疊表達式可以與C++的二元運算符一起使用。如果想為參數包中的每個元素執行一個函數，我們可以使用C和C++中最神奇的運算符之一：逗號運算符。

template <typename... Strings>
auto concatenate(Strings... strings)
{
    const auto totalSize = (0 + ... + strings.length());
    QString result;
    result.reserve(totalSize);

    (result.append(strings), ...);

    return result;
}

以上會為參數包中的每個字符串調用append函數，最后返回拼接完成的字符串。

使用折疊表達式自定義運算符

之前對std::accumulate采用的第二種方式有些復雜：我們必須提供一個自定義的累加操作函數。而累計值是目標集合中的迭代器，它指向下一個字符串的復制位置。

如果我們想使用折疊表達式自定義操作函數，那么就需要創建一個二元運算符。就像我們傳遞給std::accumulate的lambda表達式一樣，該運算符需要獲得一個輸出迭代器和一個字符串，它需要調用std::copy將字符串內容復制到該迭代器，同時返回一個新的迭代器，該迭代器指向最后復制的字符之后的元素。

于是，我們重載了操作符<<：

template <typename Dest, typename String>
auto operator<< (Dest dest, const String& string)
{
    return std::copy(string.cbegin(), string.cend(), dest);
}

有了這個操作符，使用折疊表達式將所有字符串復制到目標緩沖區就變得非常簡單。初始值是目標緩沖區的初始迭代器，我們將參數包中的每個字符串傳遞給操作符<<：

template <typename... Strings>
auto concatenate(Strings... strings)
{
    const auto totalSize = (0 + ... + strings.length());
    QString result;
    result.resize(totalSize);

    (result.begin() << ... << strings);

    return result;
}

折疊表達式和元組

現在，我們知道如何有效地拼接字符串集合，無論是使用向量還是可變模板參數包。

問題是我們的QStringBuilder兩者都沒用。它將字符串存儲在std::tuple中，既不是可迭代集合，也不是參數包。

為了使用折疊表達式，我們需要參數包。我們可以創建一個包含從0到n-1的索引列表的參數包來代替包含字符串的參數包，稍后我們可以使用std::get來訪問元組內部的值。

通過std::index_sequence很容易創建這個參數包，該序列表示一個編譯時的整數列表。我們可以創建一個helper函數，它以std::index_sequence<Idx…>作為參數，然后在折疊表達式中使std::get<Idx>（_strings）逐個訪問元組中的字符串。

template <typename... Strings>
class QStringBuilder {
    using Tuple = std::tuple<Strings...>;
    Tuple _strings;

    template <std::size_t... Idx>
    auto concatenateHelper(std::index_sequence<Idx...>) const
    {
        const auto totalSize = (std::get<Idx>(_strings).size() + ... + 0);

        QString result;
        result.resize(totalSize);

        (result.begin() << ... << std::get<Idx>(_strings));

        return result;
    }
};

我們只需要創建一個包裝函數來為元組創建索引序列，然后調用concatenateHelper函數：

template <typename... Strings>
class QStringBuilder {
    . . .

    auto concatenate() const
    {
        return concatenateHelper(
            std::index_sequence_for<Strings...>{});
    }
};

總結

本文只討論了字符串拼接部分的實現。對于真正的QStringBuilder，還有很多東西，但是細節的實現作為博客文章閱讀來說會變得有點繁瑣。

我們需要小心運算符重載：比如像當前的QStringBuilder實現，我們必須使用std::enable_if以使其對Qt中的所有可拼接類型都有效，而且這些操作符不會污染全局命名空間。

還需要用一種安全的方式處理傳遞給字符串拼接過程的臨時變量，就像QStringBuilder只存儲對字符串的引用，對于臨時字符串，這些引用很容易成為懸掛引用。

能夠以更安全的方式處理傳遞給字符串連接的臨時變量也是有益的，因為QStringBuilder只存儲對字符串的引用，在臨時字符串的情況下，這些引用很容易成為懸掛引用。

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