通用积类型 std::tuple

std::tuple 是一个类模板。准确地说，它是一个变参模板，即模板参数的个数是可变的。变参模板的具体写法会在之后的章节展开，这里你只需要知道 std::tuple 可以接受任意多个类型作为其模板实参。比如 std::tuple<> 是不接受任何模板参数的类，std::tuple<int> 是接受一个的，std::tuple<unsigned, bool> 是两个参数的等等。

标题也表明了，std::tuple 代表了积类型——所以 std::tuple<T1, T2, ...> 类就是一个通用的，指代 T1 $\times$ T2 $\times \cdots$ 这个积的类型。如果将 std::tuple 视为不具名的结构体，那可以说它有若干个 成员，类型分别是 T1 T2 ……，在数学上则通常管这个有序数组的每个文字叫分量。下文中就不再区分分量和成员，都指代组成 std::tuple 的具体部分。

using ProductType = std::tuple<unsigned, bool>;

ProductType t; // t 具有 unsigned x bool 积类型，取值为两者的笛卡尔积中的元素

积运算的单位元叫做 1 类型，也叫做空元组类型，在 C++ 中就是 std::tuple<>。之所以叫 1 类型是因为这个类型只有一种可能的值，就是空元组本身 std::tuple<>{}。

访问 std::tuple 的分量

与具名的结构体不同，std::tuple 中不会指定每个分量（成员）的名字，你只有对应分量的索引可以使用。比如上文中 ProductType 类型的第 0 个分量是 unsigned 类型的值，第 1 个分量是 bool 类型的值，整个 std::tuple 的值就由这两个分量构成。因此并没有类似成员访问运算符（.）那样方便的方法可以访问到具体的分量，这里需要用到的是标准库函数 std::get。

访问 std::tuple 变量 t 的第 N 个分量，应当使用 std::get<N>(t)。比如：

#include <iostream>
#include <tuple> // std::tuple 定义于此
using ProductType = std::tuple<unsigned, bool>;

int main() {
    ProductType a;    // 默认构造
    std::get<0>(a) = 42u;
    std::get<1>(a) = true;
    ProductType b{a}; // 复制构造
    std::cout << std::get<0>(b) << " "
              << std::get<1>(b) << std::endl;
}

有点丑陋，对吧。但目前没有什么更好的写法了。曾经有人向标准委员会提出一些简化的提案，但是委员会专家们对此似乎没有兴趣。

std::tuple 的构造

从刚才的例子中可以看出，std::tuple 至少支持默认构造和复制构造。两者都是简单地调用各个成员的默认初始化或复制初始化。但除此之外，std::tuple 还有其它的构造方式——std::tuple 拥有整个 C++ 标准库数量最多的构造函数重载，至 C++23 共有 28 个，非常琐碎。

对于我们这种普通用户来说，除了默认构造、复制构造和移动构造这些特殊函数之外，通常只会用到一种“逐成员指定初始化值”的构造方法，比如：

#include <tuple>
using ProductType = std::tuple<unsigned, bool>;

int main() {
    ProductType a(42u, false);
    // [...]
}

这种构造方法支持类模板实参推导（CTAD），即通过构造函数实参来指定各个分量的类型（模板实参）：

#include <tuple>

int main() {
    std::tuple a(42u, false);
    // a 推导为 std::tuple<unsigned, bool>
}

引用成员

std::tuple 可以持有引用类型的成员。这意味着对这些成员做修改，相当于修改其原先绑定的成员。例如：

#include <tuple>
#include <iostream>

int main() {
    int x{42}, y{56};
    std::tuple<int&, int&> t(x, y);
    std::get<0>(t) = 30;
    std::get<1>(t) = 50;
    std::cout << x << " " << y << std::endl;
}

这里会输出 30 50，因为对 t 的两次赋值是对引用——也就是作为 x 或 y 的别名——的赋值。

需要注意的一点是，这里必须指明 t 的类型为 std::tuple<int&, int&>。如果不指明模板实参，CTAD 会从构造函数实参推导为 std::tuple<int, int>。为了减少这些代码，C++ 提供了一个简便设施 std::make_tuple。

std::make_tuple 在一般的使用上和直接调用构造函数没有区别。但是，如果你用标准库函数 std::ref 将某个实参引起来，那么它将成为一个引用的初始化值。

#include <tuple>

int main() {
    unsigned x{42u};

    // std::tuple<unsigned, bool>
    // 等价于 std::tuple t1(x, false);
    auto t1 = std::make_tuple(x, false);

    // std::tuple<unsigned&, bool>
    auto t2 = std::make_tuple(std::ref(x), false);
}

具体而言，std::ref 函数返回一个保有原对象指针的类 std::reference_wrapper。std::make_tuple 对 std::reference_wrapper 有特殊的处理。

注意事项

尽管数学家热爱 std::tuple，但是在编写代码时，素质优秀的程序员应当减少它们的使用。原因很简单——现实世界的事物是有意义而非抽象的。举一个例子：