Structured binding

讓我們來做做這個簡單的小例題：

這題沒有什麼演算法，就是單純窮舉 $O(N^2)$ 組區間對計算交集就對了。不過要計算兩個區間的交集會怎麼寫呢？如果我們用 std::pair<int, int> 來存區間們的話，就會變成：

int intersection(pair<int, int> a, pair<int, int> b) {
    return max(0, min(a.second, b.second) - max(a.first, b.first));
}

在比競程時，如果是 pair 愛好者，這些 first 和 second 其實會很常被打出來。又因為這兩個單字的長度有點長，所以許多競賽選手都會在他們的 default code 加上：

#define f first
#define s second

等諸如此類的 macro。不過，這樣其實存在一些缺點：

• 如果我們同時宣告兩個變數 f 和 first，這樣會直接 CE。
• 當 pair 描述的物件是區間、平面上的二維點這種物件時，使用 f 和 s 其實相對不直覺，也許在這時候我們會比較喜歡使用 l, r 或 x, y。

因此，如果有一些替代方法來讓我們省去打一堆 first 和 second 的時間就太好了——這時候就要搬出我們的 Structured binding！請直接看看以下範例：

int intersection(pair<int, int> a, pair<int, int> b) {
    auto [al, ar] = a;
    auto [bl, br] = b;
    return max(0, min(ar, br) - max(al, bl));
}

沒錯，一段語法 auto [name1, name2] = pair 就可以把 pair 內的兩個變數分別提取出來放到 name1 和 name2 兩個變數中！也因此我們能自由的取新的名字來撰寫相關程式。

雖然這段程式碼看起來比前面長了一點，但首先在可讀性上就大幅的增加了，而且可想而知，如果未來我們要設計的函式需要大量呼叫 first 和 second 時，使用 Structured binding 也會大幅減少我們打字的時間。

也許有讀者會發現一個問題：如果我們要對 pair 內部的物件做修改的話，不就還是得呼叫那個變數本身的 first 和 second 嗎？

實際上還是可以使用 Structured binding 的，其方法就是使用我們之前學過用來取「別名」的 reference：

auto &[l, r] = itv;

像上面這樣一樣加個 & 在前面，l, r 就會分別對應到 itv 內兩個元素的「本體」，直接對 l, r 進行修改就會同時改到 itv 內部的元素！

也因此，如果你的 pair 是形如 pair<vector<int>, vector<int>> 這種龐大的型別，那麼像上面這樣寫也會讓你的時間複雜度是 $O(1)$，能夠放心使用。

同時，既然能加 reference，在前面加上 const 當然也是可以的：

const auto &[l, r] = itv;

這樣就可以在 $O(1)$ 時間拿出兩個元素，且鎖定在唯獨狀態，某些情況下這會是寫程式的好習慣。

有了前面的和 reference 的結合，我們在撰寫最一開始提到的「區間交集」這道題目時，其輸入就可以這樣寫：

int n;
cin >> n;
vector<pair<int, int>> itv(n);
for (auto &[l, r] : itv)
    cin >> l >> r;

與我們介紹 Range-based for loop 時一樣，我們可以直接在宣告變數型別的時候使用 Structured binding，就可以持續省下打出 first 和 second 的時間。

當然，因為這樣的用法不僅限於輸入，所以平常遍歷 pair 陣列時也可以這樣寫：

for (auto [l, r] : itv) {
    // do something
}

退一步來說，如果需要索引值，由於 Range-based for loop 在 C++17 以前不支援變數宣告就會有些困擾，但還是能這樣寫：

for (int i = 0; i < n; ++i) {
    auto [l, r] = itv[i];
    // do something
}

所以只要運氣好的話，整份 code 都不見得需要看見 first 和 second！

如果寫出了以下的迴圈來遍歷 map：

map<int, int> mp;
// insert something into mp
for (auto &[key, value] : mp) {
    // do something
}

這時候，想像中 key 跟 value 會是 mp 內部每一個 pair 前後兩個元素的 reference，但在 map 中，作為鍵值的第一個元素其實是不可修改的。

而這時候，即使我們沒有加上 const 這個 specifier，Structured binding 還是會自動幫我們繼承他 const 的屬性，來讓我們得到的 key 是唯獨的。

同樣的道理其實也適用於要提取的變數自帶 const 或 reference 等屬性，這裡讀者可以想像是 Structured binding 會自動保留這些屬性就好。

不過反過來說，如果要提取的變數們本身都沒有 const，我們卻只想讓其中一個提取的變數有 const 屬性的話，這就是 Structured binding 辦不到的了——這是因為這些 specifier 必須加在中括號前面，也就只能一口氣影響所有要提取的變數。

前面我們都只有舉過 pair 當例子，甚至 pair 內的兩個型別都是一樣的，Structured binding 當然沒有這麼遜只能支援這樣的型別。

首先，對於型別 pair<A, B>，A 和 B 的型別不一樣是完全可以的，例如將 pair<int, double> 提取出來後，就會確實的分別得到 int 和 double 兩個型別的變數。

再來，不是只有 pair 適用於這個語法，實際上在 C++ 的規範中，有三種類型可以被支援：

1. array
2. tuple-like 的型別
3. 以 struct 或 class 描述的 data members

讓我們來一一介紹他們。

對於宣告好的一條陣列，只要使用相同個數的元素，就可以對他使用 Structured binding 來提取出裡面的元素，例如：

int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
auto [a, b, c, d, e] = arr;

上面這段語法，a, b, c, d, e 就會分別對應到 arr 的五個元素。

不過用在陣列上，就得打出相應數量的元素量，所以更多時候只適用於短的陣列。

就像 std::pair 一樣，這種把多種型別打包在一起的組合型別就是我們這裡稱呼的 tuple-like 型別，他們的共同點就是有 std::get 這個功能可以提取單一變數中特定位置型別的功能。不過其實只要大於兩種型別，在 C++ 中就會必須得使用 std::tuple。

因此，與 pair 一樣，tuple 也可以使用 Structured binding：

tuple<int, double, bool> tup = {1, 0.5, true};
auto [a, b, c] = tup;

這樣 a, b, c 三個變數就會對應到 tup 所包含的三個不同變數型別。概念與 pair 基本上是一樣的，就不再多解釋。

相信一定也有一派的選手不喜歡使用 pair 或 tuple，而是會自己果斷的實作一個 struct 或 class 來打包一坨變數，例如：

struct my_struct {
    int x = 1, y = 2;
    vector<int> v = {3, 4, 5};
};

即使你設計的 struct 包含若干種不同型別的變數，使用 Structured binding

my_struct S;
auto [x, y, z] = S;

還是能正確的按照順序提取內部的變數！

所以，千萬別以為 Structured binding 是什麼只適用於 pair 的語法，他的用途可多了。

前面我們有提過陣列也能使用 Structured binding，但如果對 std::array 或 std::vector 使用，會發生什麼事呢？直接看看下面兩種範例：

array<int, 3> arr1 = {1, 2, 3};
vector<int> arr2 = {4, 5, 6};
auto [a, b, c] = arr1;
auto [d, e, f] = arr2; // compile error

實際測試的結果會發現，第三行的編譯是會過的，第四行則不會。

其實不會過反而比較合邏輯，這是因為我們通常會把這兩個東西當成一個單一的 class，而想像中他們的內容物應該已經被打包成一個變數了，所以用 Structured binding 時，元素的個數應該得是一個才會編譯成功。就好像：

struct array_struct {
    int a[2] = {0, 1};  
};

上面這個 array_struct 其實要寫成 auto [a] = array_struct{}; 編譯才會成功，因為 Structured binding 按照這個邏輯只能提取 int a[] 這個型別的變數而已。

不過為什麼 std::array 卻是用元素個數來提取呢？其理由是因為，std::array 支援 std::get 等 tuple-like 的操作，所以在這裡，Structured binding 才把他當成了 tuple-like 的類型來提取。這算是一個比較不直觀的個案。

如果出現 pair<pair<int, int>, pair<int, int>> 這種型別的變數，有辦法用 Structured binding 一口氣提取四個變數嗎？

答案是不行，雖然有點可惜，但目前就是這樣，我們可以期待 C++ 未來做出有可能可以處理這種狀況的改版 :)

在本文章中我們學到了 Structured binding 的用法和用途，Structured binding 在競程上時常會是省下 coding 時間、增加可讀性的好工具，讀者可以多加利用。

而且 Structured binding 還不只適用於 pair，不管是陣列還是自定義的 struct 或 class，只要元素數量吻合都是可以做使用的。若覺得記憶起來麻煩的話，讀者可以在使用 Structured binding 時試圖以「如果我是編譯器的話，我看得懂嗎？」這樣的方式來做思考。

當然，由於本文只介紹在競程中常見的用途，實際上 Structured binding 還有更多細節是在這種小篇幅不好解釋的，如果有興趣的讀者，可以自行去 cppreference 參考。

• cppreference.com - Structured binding declaration