你或许不了解的C++函数调用(1)

这篇博客名字起得可能太自大了，搞得自己像C++大牛一样，其实并非如此。C++有很多隐藏在语法之下的特性，使得用户可以在不是特别了解的情况下简单使用，这是非常好的一件事情。但是有时我们可能会突然间发现一个很有意思的现象，然后去查资料，最终学到了C++的一个特性。所以很可能每个人理解的C++都有很大不同，我只是从自己的角度去跟大家分享而已。

C++的函数调用相比于C的函数调用要复杂很多，这主要是由于函数重载、类、命名空间等特性造成的。

根据Stephan T. Lavavej的介绍，C++编译器在解析一次函数调用的时候，要按照顺序做以下事情（根据具体情况，有些步骤可能会跳过的）：

1) 名字查找（Name Lookup）

2) 模板参数类型推导（Template Argument Deduction）

3) 重载决议（Overload Resolution）

4) 访问控制（Access Control）

5) 动态绑定（Dynamic Binding）

本篇博客主要跟大家分享下自己对Name lookup的理解。

对于编译器来说，完成一次函数调用之前，必须能够先找到这个函数。在C中这个问题很简单，就是函数调用点向上找函数声明，如果能找到就匹配，如果找不到就报错。在C++中有函数重载（Function Overload）和名字空间（Namespace）的概念，使得这个问题变得有些复杂，但非常有意思。

一、从一段程序讲起

首先，问大家个问题，在C++程序中，我们经常这样写：

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "Hello, Core C++!" << std::endl;
}

请问：上面main函数中的语句使用了重载操作符<<，如果用普通函数调用的语法该怎么写？

显然，这个语句一共有两次operator<<函数调用。那么这两个operator<<函数调用是一样的函数吗？如果不是，区别在哪里？

OK，告诉大家答案吧，上面的代码等价于这样写：

#include <iostream>

int main()
{
    operator<<(std::cout, "Hello, Core C++!");
    std::cout.operator<<(std::endl);
}

大家看出来了吧？第一次operator<<调用的是一个全局函数，而第二次调用的是一个成员函数。

如果再深入一些，std::endl到底是个什么东西？直觉上这就是用来换行的，可能就是一个\n。而事实上，std::endl是一个函数。为什么呢？我们先看看VC中std::endl的代码：

template<class _Elem,
    class _Traits> inline
    basic_ostream<_Elem, _Traits>&
        __CLRCALL_OR_CDECL endl(basic_ostream<_Elem, _Traits>& _Ostr)
    {    // insert newline and flush stream
    _Ostr.put(_Ostr.widen('\n'));
    _Ostr.flush();
    return (_Ostr);
    }

std::endl是一个全局函数，接受一个basic_ostream参数_Ostr。函数内部做了两件事情：一、调用_Ostr的put(const char*)成员函数，输出\n；二、调用_Ostr的flush()函数。其中第二步保证了ostream立即刷新，这也就是std::cout<<”\n”和std::cout<<std::endl的区别。也就只有std::endl是个函数才能完成这样的操作。

还是最开始的例子，如果写成这样：

#include <iostream>

int main()
{
    cout << "Hello, Core C++!" << endl;
}

编译器会提示“undeclared identifier”，因为我们没有指定任何namespace，编译器默认到全局命名空间中查找，相当于::cout << "Hello, Core C++!" << ::endl;，而程序中并没有提供的cout和endl，因此找不到。这个大家应该都比较熟悉了。

再问大家一个问题：

operator<<(std::cout, "Hello, Core C++!");

为什么这个语句不写成：

std::operator<<(std::cout, "Hello, Core C++!");

也能通过编译呢？毕竟operator<<是在std名字空间里，全局名字空间里面并没有，为什么没有报错呢？

二、Name Lookup的主要机制

这就要从C++标准中对于名字查找的描述说起了。C++中有三种主要名字查找机制：

a) 隐式名字查找（Unqualified name lookup）；

b) 基于参数的名字查找（Argument-dependent name lookup，ADL）；

c) 显式名字查找（Qualified name lookup）。

显然，如果变量和函数之前不写任何名字空间，就是隐式名字查找，此时编译器只会从当前命名空间和全局命名空间中查找；如果写了名字空间，就是显式名字查找，编译器会忠实地按照指定的命名空间去查找。

最有意思的是基于参数的名字查找，简称ADL，也叫Koenig Lookup，这种名字查找方式是C++大牛Andrew Koenig发明的。具体来说，对于一个函数调用，如果没有显式地写函数的名字空间，编译器会根据函数的参数所在的名字空间里面去查找这个函数。最新的C++标准加强了这个规则，叫Pure ADL，也就是只到参数所在的名字空间里去查找，而不到其它名字空间里查找，这样的好处是防止找到其它名字空间里具有相同签名的函数，导致非常隐蔽的bug。

这就可以理解为什么

operator<<(std::cout, "Hello, Core C++!");

可以正常编译了，因为函数中有std::cout这个参数，所以编译器就会到std名字空间里去查找operator<<这个函数。

这个特点非常重要，否则C++中的操作符重载根本无法做到像现在如此简洁。可以想象下，如果每次都要去指定操作符的命名空间，语法该有多丑！仅仅通过ADL，就可以看出Andrew Koenig对于C++的贡献。

注意：

std::cout.operator<<(std::endl);

这个语句不能省略最前面的std::，这是因为C++中类本身也形成了一个名字空间（就是类名），也就是说std::cout.operator<<这个函数的名字空间是std:ostream，而不是std，而std::endl在std名字空间中，ADL是不会向下去查找嵌套的名字空间的的，只会在当前名字空间里去查找。因此最前面的std::不能省略。

三、名字空间污染

对已一开始的例子，可能很多人更喜欢写成：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    cout << "Hello, Core C++!" << endl;
}

这样下面使用任何STL里面的类和算法的时候，都不用加上std::前缀了，这样是方便，但是也是会带来问题的。using namespace std;这个语句将std里面所有的东西（类、算法、对象等等）都引入到我当前的名字空间中，其中很多东西我是暂时使用不到的。如果我自己在当前名字空间中定义了一些和std中同名的东西的话，就会导致一些意想不到的问题：

#include <iostream>
using namespace std;

class Polluted {
public:
    Polluted& operator<<(const char*)
    {
        return *this;
    }
};
int main()
{
    Polluted cout;
    cout << "Hello, Core C++!\n";
}

上面这个程序，看上去会输入Hello, Core C++!，实际上却什么都没做。因为cout已经不是std::cout了，而是Polluted的一个对象，这个对象恰巧也有一个operator<<(const char*)函数。因为名字空间查找和普通变量的作用域一样，局部名字空间会覆盖全局名字空间和引入的名字空间，所以编译器虽然两个cout都找到，但根据局部优先于全局的规则，选用了main函数中定义的cout，而不是std::cout。

这样的危害在于当程序规模比较大的时候，这样的问题会变得很隐蔽，甚至测试都不一定能测试到，但是却会引发非常奇怪的问题，给调试带来非常大的麻烦。所以using namespace std;尽量少用，最多使用using std::cout，这样就只引入std中的cout，其它东西都没有引入，出问题的概率小些，但问题依旧存在，所以如果可能的话，尽量将std::都加上，保证不出问题。

四、using在STL中的使用

2005年，C++对STL进行了扩充，就是所谓的TR1（Technical Report 1），里面加入了很多实用的库，如shard_ptr、function、bind、regular exprestion等等，它们都位于std::tr1名字空间下。到了C++11，TR1中的很多库得到了升级，正式成为std名字空间中的一员。但是之前很多代码已经用了std::tr1，为了确保已有的代码不被破坏，并且不要重复定义相同的东西。STL采取这样的方式：将原来std::tr1中的定义移到std中，然后在std::tr1中使用using指令将库引入到std::tr1中。如VC中有这样的代码：

namespace tr1 {    // TR1 additions
using _STD allocate_shared;
using _STD bad_weak_ptr;
using _STD const_pointer_cast;
using _STD dynamic_pointer_cast;
using _STD enable_shared_from_this;
using _STD get_deleter;
using _STD make_shared;
using _STD shared_ptr;
using _STD static_pointer_cast;
using _STD swap;
using _STD weak_ptr;
}    // namespace tr1

这样就达到了兼顾新标准和已有代码的目标。

五、名字空间别名

如果我们有一个很深的名字空间，比如A::B::C::D::E，并且经常会用到这里面的类和函数，我们不希望每次都敲这么长的前缀，当然也不希望通过using namespace A::B::C::D::E来污染名字空间，C++提供了名字空间别名的方式来简化使用。比如，我们可以通过

namespace ABCDE = A::B::C::D::E;

产生名字空间别名ABCDE，ABCDE::ClassT就等价于A::B::C::D::E::ClassT。

C++11中，这种方式的别名得到了扩展，不仅仅用于名字空间，可以用于任何别名：

using ABCDE = A::B::C::D::E;
using ABCDE_ClassT = ABCDE::ClassT;

这样的语法基本上可以替代typedef了，而且语法更简洁。

OK，关于Name lookup相关的就想到这么多，以后有新的了解再跟大家分享！