Modern C++ （C++11/14新特性）
Introduction
最近听闻了一个段子
同样是C++工程师，有的人写的是 C with object，有的人写的是 C++ 98，fashion一点儿的写 C++ 11，而有些弱鸡写的是 谭++。
（日常黑谭浩强，虽然我不太了解有多少黑点。。。
左值右值
C++( 包括 C) 中所有的表达式和变量要么是左值，要么是右值。通俗的左值的定义就是非临时对象，那些可以在多条语句中使用的对象。所有的变量都满足这个定义，在多条代码中都可以使用，都是左值。右值是指临时的对象，它们只在当前的语句中有效。IBM 右值引用与转移语义
有一种甄别表达式是否左值的方法，是检查能否获得该表达式的地址；如果可以取得，基本上可以断定是左值表达式；如果不能取得则通常是右值。
C++ 中所有值都属于 左值、右值两者之一；若细分的话，右值可以分为：纯右值、将亡值。
右值引用类型
我们可以理解右值为临时对象，像有些函数返回的对象是临时对象，该句执行完毕就会释放临时对象空间，因此留下右值的引用在以前并没有用。
C++11 是提出了右值引用，可以延长临时对象的生存周期，其创建方法为type && vb = xx;对应的左值引用的生命符号为&。
#include
#include
int main()
{
std::string s1 = "Test";
// std::string&& r1 = s1; // 错误：不能绑定到左值
const std::string& r2 = s1 + s1; // okay：到 const 的左值引用延长生存期
// r2 += "Test"; // 错误：不能通过到 const 的引用修改
std::string&& r3 = s1 + s1; // okay：右值引用延长生存期
r3 += "Test"; // okay：能通过到非 const 的引用修改
std::cout << r3 << '\n';
}
更重要的是，当函数同时具有右值引用和左值引用的重载时，右值引用重载绑定到右值（包含纯右值和亡值），而左值引用重载绑定到左值：
#include
#include
void f(int& x) {
std::cout << "lvalue reference overload f(" << x << ")\n";
}
void f(const int& x) {
std::cout << "lvalue reference to const overload f(" << x << ")\n";
}
void f(int&& x) {
std::cout << "rvalue reference overload f(" << x << ")\n";
}
int main() {
int i = 1;
const int ci = 2;
f(i); // 调用 f(int&)
f(ci); // 调用 f(const int&)
f(3); // 调用 f(int&&)
// 若不提供 f(int&&) 重载则会调用 f(const int&)
f(std::move(i)); // 调用 f(int&&)
// 右值引用变量在用于表达式时是左值
int&& x = 1;
f(x); // calls f(int& x)
f(std::move(x)); // calls f(int&& x)
}
移动语义(Move Sementics)与精准传递(Perfect Forwarding)
移动语义是通过盗取将亡值的变量内存空间，首先确保该部分空间之后不会使用，然后将该空间占为己有，看起来像是一个拷贝操作。
移动语义位于头文件#include，函数名为std::move。
#include
#include
#include
#include
#include
#include
void f(int n)
{
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(n));
std::cout << "thread " << n << " ended" << '\n';
}
int main()
{
std::vector v;
v.emplace_back(f, 1);
v.emplace_back(f, 2);
v.emplace_back(f, 3);
std::list l;
// copy() 无法编译，因为 std::thread 不可复制
std::move(v.begin(), v.end(), std::back_inserter(l));
for (auto& t : l) t.join();
}
自动类型推导
auto和decltype 关键词是新增的关键词，我们知道C++是强类型语言，但使用这两个关键词，可以不用手写完整类型，而是让编译器自行推导真实类型。
auto用法非常简单，示例如下：
#include
#include
template
auto add(T t, U u) { return t + u; } // 返回类型是 operator+(T, U) 的类型
// 在其所调用的函数返回引用的情况下
// 函数调用的完美转发必须用 decltype(auto)
template
decltype(auto) PerfectForward(F fun, Args&&... args)
{
return fun(std::forward(args)...);
}
template // C++17 auto 形参声明
auto f() -> std::pair // auto 不能从花括号初始化器列表推导
{
return {n, n};
}
int main()
{
auto a = 1 + 2; // a 的类型是 int
auto b = add(1, 1.2); // b 的类型是 double
static_assert(std::is_same_v);
static_assert(std::is_same_v);
auto c0 = a; // c0 的类型是 int，保有 a 的副本
decltype(auto) c1 = a; // c1 的类型是 int，保有 a 的副本
decltype(auto) c2 = (a); // c2 的类型是 int&，为 a 的别名
std::cout << "a, before modification through c2 = " << a << '\n';
++c2;
std::cout << "a, after modification through c2 = " << a << '\n';
auto [v, w] = f<0>(); // 结构化绑定声明
auto d = {1, 2}; // OK：d 的类型是 std::initializer_list
auto n = {5}; // OK：n 的类型是 std::initializer_list
// auto e{1, 2}; // C++17 起错误，之前为 std::initializer_list
auto m{5}; // OK：C++17 起 m 的类型为 int，之前为 initializer_list
// decltype(auto) z = { 1, 2 } // 错误：{1, 2} 不是表达式
// auto 常用于无名类型，例如 lambda 表达式的类型
auto lambda = [](int x) { return x + 3; };
// auto int x; // 于 C++98 合法，C++11 起错误
// auto x; // 于 C 合法，于 C++ 错误
}
decltype 的用处则是检查实体的声明类型，或者表达式的类型和值的类型。用法如下：decltype(实体/表达式)。可以使用另一个的实体的类型来定义新的变量。
#include
struct A { double x; };
const A* a;
decltype(a->x) y; // y 的类型是 double（其声明类型）
decltype((a->x)) z = y; // z 的类型是 const double&（左值表达式）
template
auto add(T t, U u) -> decltype(t + u) // 返回类型依赖于模板形参
{ // C++14 开始可以推导返回类型
return t+u;
}
int main()
{
int i = 33;
decltype(i) j = i * 2;
std::cout << "i = " << i << ", "
<< "j = " << j << '\n';
auto f = [](int a, int b) -> int
{
return a * b;
};
decltype(f) g = f; // lambda 的类型是独有且无名的
i = f(2, 2);
j = g(3, 3);
std::cout << "i = " << i << ", "
<< "j = " << j << '\n';
}
函数返回值后置
可以通过这种写法，将函数的返回值申明放在函数声明的最后；auto function_name( 形参 ) (属性，如 override等) (异常说明，可选) -> 返回值类型。
老实说，这种写法让我觉得自己写的不是C++，估计大部分情况我不回去使用这个特性吧。。。
// 返回指向 f0 的指针的函数
auto fp11() -> void(*)(const std::string&)
{
return f0;
}
强制类型转换
C++11起已经不建议使用C语言样式的强制类型转换，推荐使用static_cast、const_cast、reinterpret_cast、dynamic_cast等方法的类型转换。
| 关键词 | 说明 |
|---|---|
static_cast (常用) |
用于良性转换，一般不会导致意外发生，风险很低。 |
const_cast |
用于 const 与非 const、volatile 与非 volatile 之间的转换。 |
reinterpret_cast |
高度危险的转换，这种转换仅仅是对二进制位的重新解释，不会借助已有的转换规则对数据进行调整，但是可以实现最灵活的 C++ 类型转换。 |
dynamic_cast |
借助 RTTI，用于类型安全的向下转型（Downcasting）。 |
C++四种类型转换运算符：static_cast、dynamic_cast、const_cast和reinterpret_cast
智能指针
参见C++ 智能指针
一些新的关键词用法
nullptr
据说通常C++头文件中NULL都是定义为#define NULL 0，因此本质上NULL的类型是int，使用NULL来表示空指针是非常不合适的行为，于是C++11重新定义了一个不是int类型且适用于空指针的关键词。
关键词 nullptr 代表指针字面量。它是 std::nullptr_t 类型的纯右值。存在从 nullptr 到任何指针类型及任何成员指针类型的隐式转换。同样的转换对于任何空指针常量也存在，空指针常量包括 std::nullptr_t 的值，以及宏 NULL。nullptr，指针字面量
特殊成员函数
- 默认构造函数
- 复制构造函数
- 移动构造函数 (C++11 起)
- 复制赋值运算符
- 移动赋值运算符 (C++11 起)
- 析构函数
default
我们知道default本身是switch语句的关键词，C++11中又扩展了新的用法，可以用来告诉编译器生成默认的成员函数（默认构造函数等）。
特殊成员函数以及比较运算符 (C++20 起)是仅有能被预置的函数，即使用 = default 替代函数体进行定义（细节见其相应页面）
例如：默认构造函数可以使用 类名 ( ) = default ; (C++11 起) 方式声明，然后可以不用在 *.cpp文件中写函数体实现，这个函数会使用编译器默认生成。
delete 弃置函数
delete的新用法–弃置函数，相比于让对象中的构造函数为私有，现在有了删除该函数的方法。
如果取代函数体而使用特殊语法
= delete ;，则该函数被定义为弃置的（deleted）。任何弃置函数的使用都是非良构的（程序无法编译）。这包含调用，包括显式（以函数调用运算符）及隐式（对弃置的重载运算符、特殊成员函数、分配函数等的调用），构成指向弃置函数的指针或成员指针，甚或是在不求值表达式中使用弃置函数。但是，允许隐式 ODR 式使用 刚好被弃置的非纯虚成员函数。
struct sometype
{
void* operator new(std::size_t) = delete;
void* operator new[](std::size_t) = delete;
};
sometype* p = new sometype; // 错误：尝试调用弃置的 sometype::operator new
override
这个关键词翻译为改写，当指定一个虚函数覆盖另一个虚函数时使用，Effective Modern C++一书中建议在该情况时一定加上该关键词，这样可以让编译器帮助我们检查我们是否正确定义了覆盖的函数（如果不正确定义则会编译报错）。
这部分代码将不会正确编译，因为加了 override 后，编译器会为我们寻找继承的基类中对应的虚函数，而这里就可以发现我们函数声明上的一些错误。而如果不加override，这里会成功编译，但绝对不是我们想要的编译结果。
/*
* Key idea:
*
* The below code won't compile, but, when written this way, compilers will
* kvetch about all the overriding-related problems.
*/
class Base {
public:
virtual void mf1() const;
virtual void mf2(int x);
virtual void mf3() &;
void mf4() const;
};
// Uncomment this, compile and see the compiler errors.
//class Derived: public Base {
//public:
// virtual void mf1() override;
// virtual void mf2(unsigned int x) override;
// virtual void mf3() && override;
// void mf4() const override;
//};
可以只有override修饰的函数声明正确才能够成功编译。
/*
* Key idea:
*
* This the code-example that uses override and is correct.
*/
class Base {
public:
virtual void mf1() const;
virtual void mf2(int x);
virtual void mf3() &;
virtual void mf4() const;
};
class Derived: public Base {
public:
virtual void mf1() const override;
virtual void mf2(int x) override;
virtual void mf3() & override;
void mf4() const override; // adding "virtual" is OK,
}; // but not necessary
final
声明某一个虚函数不得被覆盖。
( )、{ }初始化
有更多的方法初始化一个对象，比如花括号初始化列表实例如下：
/*
* Key idea:
*
* The treatment of braced initializers is the only way in which auto type
* deduction and template type deduction differ.
*/
#include
template // template with parameter
void f(T param) {} // declaration equivalent to
// x's declaration
template
void f2(std::initializer_list initList) {}
int main()
{
{
int x1 = 27;
int x2(27);
int x3 = {27};
int x4{27};
}
{
auto x1 = 27; // type is int, value is 27
auto x2(27); // ditto
auto x3 = {27}; // type is std::initializer_list,
// value is {27}
auto x4{27}; // ditto
//auto x5 = {1, 2, 3.0}; // error! can't deduce T for
// // std::initializer_list
}
{
auto x = { 11, 23, 9 }; // x's type is
// std::initializer_list
//f({ 11, 23, 9 }); // error! can't deduce type for T
f2({ 11, 23, 9 }); // T deduced as int, and initList's
// type is std::initializer_list
}
}
using 别名
除了 typedef关键词，还可以使用using关键词创建别名，Effective Modern C++一书更推荐使用别名声明。
/*
* Key Idea:
*
* Using alias declarations is easier to read than function pointers.
*/
#include
// FP is a synonym for a pointer to a function taking an int and
// a const std::string& and returning nothing
typedef void (*FP)(int, const std::string&); // typedef
// same meaning as above
using FP = void (*)(int, const std::string&); // alias
// declaration
限定作用域的 枚举类型
通过在枚举类型定义中加一个关键词，可以限制枚举类型的作用域。enum test-> enum class test；
/*
* Key Idea:
*
* In C++11, the names of scoped enums do not belong to the scope containing
* the enum.
*/
enum class Color { black, white, red }; // black, white, red
// are scoped to Color
auto white = false; // fine, no other
// "white" in scope
//Color c1 = white; // error! no enumerator named
// "white" is in this scope
Color c2 = Color::white; // fine
auto c3 = Color::white; // also fine (and in accord
// with Item4's advice)
基于范围的for循环
C++也可以像python语言那样使用基于范围的for循环了，是一个进步吧，集各家之所长。
基于范围的for循环语法是for(范围声明:范围表达式)。其中，范围声明：一个具名变量的声明，其类型是由 范围表达式 所表示的序列的元素的类型，或该类型的引用，通常用 auto 说明符进行自动类型推导；范围表达式：任何可以表示一个合适的序列（数组，或定义了 begin 和 end 成员函数或自由函数的对象，见下文）的表达式，或一个花括号初始化器列表，基本上std中几个常见容器，如：vector、list等都是支持基于范围的for循环的。
#include
#include
int main() {
std::vector v = {0, 1, 2, 3, 4, 5};
for (const int& i : v) // 以 const 引用访问
std::cout << i << ' ';
std::cout << '\n';
for (auto i : v) // 以值访问，i 的类型是 int
std::cout << i << ' ';
std::cout << '\n';
for (auto& i : v) // 以引用访问，i 的类型是 int&
std::cout << i << ' ';
std::cout << '\n';
for (int n : {0, 1, 2, 3, 4, 5}) // 初始化器可以是花括号初始化器列表
std::cout << n << ' ';
std::cout << '\n';
int a[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5};
for (int n : a) // 初始化器可以是数组
std::cout << n << ' ';
std::cout << '\n';
for (int n : a)
std::cout << 1 << ' '; // 不必使用循环变量
std::cout << '\n';
}
lambda 表达式
lambda 表达式即是无名函数，很像java中的临时函数（集各家之所长，比各家难用……）
lambda的语法如下：
[ 俘获 ] <模板形参>(可选)(C++20) ( 形参 ) 说明符(可选) 异常说明 attr -> ret requires(可选)(C++20) { 函数体 }
[ 俘获 ] ( 形参 ) -> ret { 函数体 }
[ 俘获 ] ( 形参 ) { 函数体 }
[ 俘获 ] { 函数体 }
lambda 表达式细节更多，有可能单独写一个博客进行解释说明，如果大家有兴趣的话，可以先看看zh.cppreference.com这篇说明。
Reference
- Effective Modern C++
- C++11/14高级编程
- IBM 右值引用与转移语义
- cppreference.com 引用声明
- cppreference.com auto
- C++四种类型转换运算符：static_cast、dynamic_cast、const_cast和reinterpret_cast
- cppreference.com nullptr，指针字面量
- cppreference.com 特殊成员函数
- cppreference.com 弃置函数
- 花括号初始化列表
- 基于范围的for循环
- lambda 表达式