【C++】C++中的auto与decltype

关于auto

auto占位符

1. 当用一个auto关键字声明多个变量的时候，编译器遵从由左往右的推导规则，以最左边的表达式推断auto的具体类型：

int n = 5;
auto *pn = &n, m = 10;

在上面的代码中，因为&n类型为int *，所以pn的类型被推导为int *，auto被推导为int，于是m被声明为int类型，可以编译成功。但是如果写成下面的代码，将无法通过编译：

int n = 5;
auto *pn = &n, m = 10.0; // 编译失败，声明类型不统一

2. 当使用条件表达式初始化auto声明的变量时，编译器总是使用表达能力更强的类型：

auto i = true ? 5 : 8.0;

在上面的代码中，虽然能够确定表达式返回的是int类型，但是i的类型依旧会被推导为表达能力更强的类型double。

3. 虽然C++11标准已经支持在声明成员变量时初始化，但是auto却无法在这种情况下声明非静态成员变量：

struct sometype {
auto i = 5; // 错误，无法编译通过
};

在C++11中静态成员变量是可以用auto声明并且初始化的，不过前提是auto必须使用const限定符：

struct sometype {
	static const auto i = 5;
};

遗憾的是，const限定符会导致i常量化，显然这不是我们想要的结果。幸运的是，在C++17标准中，对于静态成员变量，auto可以在没有const的情况下使用，例如：

struct sometype {
static inline auto i = 5; // C++17
};

4. 按照C++20之前的标准，无法在函数形参列表中使用auto声明形参（注意，在C++14中，auto可以为lambda表达式声明形参）：

void echo(auto str) {…} // C++20之前编译失败，C++20编译成功

另外，auto也可以和new关键字结合。当然，我们通常不会这么用，例如：

auto i = new auto(5);
auto* j = new auto(5);

这种用法比较有趣，编译器实际上进行了两次推导，第一次是auto(5)，auto被推导为int类型，于是new int的类型为int*，再通过int *推导i和j的类型。我不建议像上面这样使用auto，因为它会破坏代码的可读性。在后面的内容中，我们将讨论应该在什么时候避免使用auto关键字。

auto推导规则

1. 如果auto声明的变量是按值初始化，则推导出的类型会忽略cv限定符。进一步解释为，在使用auto声明变量时，既没有使用引用，也没有使用指针，那么编译器在推导的时候会忽略const和volatile限定符。当然auto本身也支持添加cv限定符：

const int i = 5;
auto j = i; // auto推导类型为int，而非const int
auto &m = i; // auto推导类型为const int，m推导类型为const int&
auto *k = i; // auto推导类型为const int，k推导类型为const int*
const auto n = j; // auto推导类型为int，n的类型为const int

虽然i是const int类型，但是因为按值初始化会忽略cv限定符，所以j的推导类型是int而不是const int。而m和k分别按引用和指针初始化，因此其cv属性保留了下来。

2. 使用auto声明变量初始化时，目标对象如果是引用，则引用属性会被忽略：

int i = 5;
int &j = i;
auto m = j; // auto推导类型为int，而非int&

3. 使用auto和万能引用声明变量时，对于左值会将auto推导为引用类型：

int i = 5;
auto&& m = i; // auto推导类型为int& （这里涉及引用折叠的概念）
auto&& j = 5; // auto推导类型为int

4. 使用auto声明变量，如果目标对象是一个数组或者函数，则auto会被推导为对应的指针类型：

int i[5];
auto m = i; // auto推导类型为int*
int sum(int a1, int a2)
{
return a1+a2;
}
auto j = sum // auto推导类型为int (__cdecl *)(int,int)

虽然i是数组类型，但是m会被推导退化为指针类型，同样，j也退化为函数指针类型。

5. 当auto关键字与列表初始化组合时，这里的规则有新老两个版本，这里只介绍新规则（C++17标准）。

（1）直接使用列表初始化，列表中必须为单元素，否则无法编译，auto类型被推导为单元素的类型。

（2）用等号加列表初始化，列表中可以包含单个或者多个元素，auto类型被推导为std::initializer_list，其中T是元素类型。请注意，在列表中包含多个元素的时候，元素的类型必须相同，否则编译器会报错。

auto x1 = { 1, 2 }; // x1类型为 std::initializer_list
auto x2 = { 1, 2.0 }; // 编译失败，花括号中元素类型不同
auto x3{ 1, 2 }; // 编译失败，不是单个元素
auto x4 = { 3 }; // x4类型为std::initializer_list
auto x5{ 3 }; // x5类型为int

什么时候使用auto？

1. 当一眼就能看出声明变量的初始化类型的时候可以使用auto。
2. 对于复杂的类型，例如lambda表达式、bind等直接使用auto。

lambda表达式中使用auto类型推导

在C++14标准中我们还可以把auto写到lambda表达式的形参中，这样就得到了一个泛型的lambda表达式，例如：

auto l = [](auto a1, auto a2) { return a1 + a2; };
auto retval = l(5, 5.0);

让我们看一看lambda表达式返回auto引用的方法：

auto l = [](int &i)->auto& { return i; };
auto x1 = 5;
auto &x2 = l(x1);
assert(&x1 == &x2); // 有相同的内存地址

起初在后置返回类型中使用auto是不允许的，但是后来人们发现，这是唯一让lambda表达式通过推导返回引用类型的方法了。

非类型模板形参占位符

#include 
template
void f()
{
std::cout << N << std::endl;
}
int main()
{
f<5>(); // N为int类型
f<'c'>(); // N为char类型
f<5.0>(); // 编译失败，模板参数不能为double，非类型模板参数必须为整型，枚举或指针不能是其他类型；
}

关于decltype

decltype说明符

在C++11标准发布以前，GCC的扩展提供了一个名为typeof的运算符。通过该运算符可以获取操作数的具体类型。这让使用GCC的程序员在很早之前就具有了对对象类型进行推导的能力，例如：

int a = 0;
typeof(a) b = 5;

除使用GCC提供的typeof运算符获取对象类型以外，C++标准还提供了一个typeid运算符来获取与目标操作数类型有关的信息。获取的类型信息会包含在一个类型为std::type_info的对象里。我们可以调用成员函数name获取其类型名，例如：

int x1 = 0;
double x2 = 5.5;
std::cout << typeid(x1).name() << std::endl;
std::cout << typeid(x1 + x2).name() << std::endl;
std::cout << typeid(int).name() << std::endl;

值得注意的是，成员函数name返回的类型名在C++标准中并没有明确的规范，所以输出的类型名会因编译器而异。比如，MSVC会输出一个符合程序员阅读习惯的名称，而GCC则会输出一个它自定义的名称。另外，还有3点也需要注意:

typeid的返回值是一个左值，且其生命周期一直被扩展到程序生命周期结束。

typeid返回的std::type_info删除了复制构造函数，若想保存std::type_info，只能获取其引用或者指针，例如：

auto t1 = typeid(int); // 编译失败，没有复制构造函数无法编译
auto &t2 = typeid(int); // 编译成功，t2推导为const std::type_info&
auto t3 = &typeid(int); // 编译成功，t3推导为const std::type_info*

typeid的返回值总是忽略类型的 cv 限定符，也就是typeid(const T)== typeid(T))。

虽然typeid可以获取类型信息并帮助我们判断类型之间的关系，但遗憾的是，它并不能像typeof那样在编译期就确定对象类型。

为了用统一方法解决上述问题，C++11标准引入了decltype说明符，使用decltype说明符可以获取对象或者表达式的类型，其语法与typeof类似：

int x1 = 0;
decltype(x1) x2 = 0;
std::cout << typeid(x2).name() << std::endl; // x2的类型为int
double x3 = 0;
decltype(x1 + x3) x4 = x1 + x3;
std::cout << typeid(x4).name() << std::endl; // x1+x3的类型为double
decltype({1, 2}) x5; // 编译失败，{1, 2}不是表达式

前面讨论过auto不能在非静态成员变量中使用吗？decltype却是可以的：

struct S1 {
int x1;
decltype(x1) x2;
double x3;
decltype(x2 + x3) x4;
};

为了更好地讨论decltype的优势，需要用到函数返回类型后置的例子：

auto sum(int a1, int a2)->int
{
return a1+a2;
}

以上代码以C++11为标准，该标准中auto作为占位符并不能使编译器对函数返回类型进行推导，必须使用返回类型后置的形式指定返回类型。如果接下来想泛化这个函数，让其支持各种类型运算应该怎么办？由于形参不能声明为auto，因此我们需要用到函数模板：

template
auto sum(T1 a1, T2 a2)->decltype(a1 + a2)
{
return a1 + a2;
}
auto x4 = sum(5, 10.5);

上述用法只推荐在C++11标准的编译环境中使用，因为C++14标准已经支持对auto声明的返回类型进行推导了，所以以上代码可以简化为：

template
auto sum(T1 a1, T2 a2)
{
return a1 + a2;
}
auto x5 = sum(5, 10.5);

讲到这里，读者肯定有疑问了，在C++14中decltype的作用又被auto代替了。是否从C++14标准以后decltype就没有用武之地了呢？并不是这样的，auto作为返回类型的占位符还存在一些问题，请看下面的例子：

template
auto return_ref(T& t)
{
return t;
}
int x1 = 0;
static_assert(
std::is_reference_v// 编译错误，返回值
不为引用类型
);

在上面的代码中，我们期望return_ref返回的是一个T的引用类型，但是如果编译此段代码，则必然会编译失败，因为auto被推导为值类型。如果想正确地返回引用类型，则需要用到decltype说明符，例如：

template
auto return_ref(T& t)->decltype(t)
{
return t;
}
int x1 = 0;
static_assert(
std::is_reference_v // 编译成功
);

以上两段代码几乎相同，只是在return_ref函数的尾部用decltype(t)声明了返回类型，但是代码却可以顺利地通过编译。为了弄清楚编译成功的原因，我们需要讨论decltype的推导规则。

decltype推导规则

decltype(e)（其中e的类型为T）的推导规则有5条：

1. 如果e是一个未加括号的标识符表达式（结构化绑定除外）或者未加括号的类成员访问，则decltype(e)推断出的类型是e的类型T。如果并不存在这样的类型，或者e是一组重载函数，则无法进行推导。
2. 如果e是一个函数调用或者仿函数调用(或者表达式），那么decltype(e)推断出的类型是其返回值的类型。
3. 如果e是一个类型为T的左值，则decltype(e)是T&。cv操作符将被保留。
4. 如果e是一个类型为T的将亡值，则decltype(e)是T&&。
5. 除去以上情况，则decltype(e)是T

const int&& foo();
int i;
struct A {
double x;
};
const A* a = new A();
decltype(foo()); // decltype(foo())推导类型为const int&&
decltype(i); // decltype(i)推导类型为int
decltype(a->x); // decltype(a->x)推导类型为double
decltype((a->x)); // decltype((a->x))推导类型为const double&

cv限定符的推导

通常情况下，decltype(e)所推导的类型会同步e的cv限定符，比如：

const int i = 0;
decltype(i); // decltype(i)推导类型为const int

但是还有其他情况，当e是未加括号的成员变量时，父对象表达式的cv限定符会被忽略，不能同步到推导结果：

struct A {
double x;
};
const A* a = new A();
decltype(a->x); // decltype(a->x)推导类型为double, const属性被忽略

总的来说，当e是加括号的数据成员时，父对象表达式的cv限定符会同步到推断结果。

deltype(auto)

在C++14标准中出现了decltype和auto两个关键字的结合体：decltype(auto)。它的作用简单来说，就是告诉编译器在推导变量类型时，先用初始化表达式替换decltype(auto)当中的auto，然后再根据decltype的语法规则来确定变量的类型。另外需要注意的是，decltype(auto)必须单独声明，也就是它不能结合指针、引用以及cv限定符。看完下面的例子，读者就会有所体会：

int i;
int&& f();
auto x1a = i; // x1a推导类型为int
decltype(auto) x1d = i; // x1d推导类型为int
auto x2a = (i); // x2a推导类型为int
decltype(auto) x2d = (i); // x2d推导类型为int&
auto x3a = f(); // x3a推导类型为int
decltype(auto) x3d = f(); // x3d推导类型为int&&
auto x4a = { 1, 2 }; // x4a推导类型为
std::initializer_list
decltype(auto) x4d = { 1, 2 }; // 编译失败, {1, 2}不是表达式
auto *x5a = &i; // x5a推导类型为int*
decltype(auto)*x5d = &i; // 编译失败，decltype(auto)必须单独声明

template
decltype(auto) return_ref(T& t)
{
return t;
}
int x1 = 0;
static_assert(
std::is_reference_v // 编译成功
);

decltype(auto)作为非类型模板形参占位符

#include 
template
void f()
{
std::cout << N << std::endl;
}
static const int x = 11;
static int y = 7;
int main()
{
f(); // N为const int类型
f<(x)>(); // N为const int&类型
f(); // 编译错误
f<(y)>(); // N为int&类型
}

在上面的代码中，x的类型为const int，所以f()推导出N为const int类型，这里和auto作为占位符的结果是一样的；f<(x)>()则不同，推导出的N为const int&类型，符合decltype(auto)的推导规则。另外，f()会导致编译出错，因为y不是一个常量，所以编译器无法对函数模板进行实例化。而f<(y)>()则没有这种问题，因为(y)被推断为了引用类型，恰好对于静态对象而言内存地址是固定的，所以可以顺利地通过编译，最终N被推导为int&类型。

总结

decltype和auto的使用方式有一些相似之处，但是推导规则却有所不同，理解起来有一定难度。不过幸运的是，大部分情况下推导结果能够符合我们的预期。另外从上面的示例代码来看，在通常的编程过程中并不会存在太多使用decltype的情况。实际上，decltype说明符对于库作者更加实用。因为它很大程度上加强了C++的泛型能力，比如利用decltype和SFINAE特性让编译器自动选择正确的函数模板进行调用等，当然这些是比较高级的话题了