C++11新特性——The C++ standard library, 2nd Edition 笔记（一）

前言

　　这是我阅读《The C++ standard library, 2nd Edition》所做读书笔记的第一篇。这个系列基本上会以一章一篇的节奏来写，少数以C++03为主的章节会和其它章节合并，一些内容较多的章节也会抽出几个独立的章节。这些博文不分析具体的应用情景，仅仅用来记录C++11新增的知识点。关于C++11知识点的详细解析，请参考C++11 FAQ；关于C++03以及STL的较详尽解析，请参考相关著作或者网络资料；推荐《C++ Primer，4th edition》和《The C++ Standard Library》。

（原书第三章：New Language Features）

新语言特性

• 用模板作为模板参数不需要再在结尾">"处留空格：

vector<list<int>> vli; // OK

• nullptr 代替 NULL；前者的类型是 std::nullptr_t，后者是int。nullptr_t定义在<cstddef>中。
• 扩展auto关键字含义，编译器自动推导变量类型：

vector<VeryVeryLongLongType> foo; ... auto iter = foo.begin(); // iter是一个迭代器。
auto bar = [&](int)->bool{return ...}; // bar是一个lambda函数。可以这样调用：bar(3)。

• 一致初始化与初始化列表（uniform initialization & initialization lists）：

int values[] { , , , , , , }; // 初始化列表不能进行变量的不精确转换int a {1.0};是错误的。
std::vector<std::string> vs {"c++", "is", "upgrading"};
std::initializer_list<int> il = {, , , }; // 用来接受{1, 2, 3, 4}的新类型，initializer_list。
class Foo { ... Foo(std::initializer_list<int>& lst); ...}; ... Foo foo {, , , };  // 注意：构造函数的参数列表可以隐式转换为initializer_list

• 基于区间(range-based)循环，它的伪代码格式是：for(var : container) { statments; }

for (int i : {, ,, , , , , , }) // 初始化列表格式
    cout << i << endl;

vector<int> vect; ...
for (auto& item : vect) // 要改变值，要用 auto&， 引用
    item *= ;

• move语义和右值引用。支持move语义是C++11最重要的新特性。这个特性主要用来避免不必要的拷贝和临时变量。
  • 右值引用可以指向匿名对象、临时对象，但不能是常量，因为它需要能被修改，以支持资源转移。右值的特性之一是它不可以取地址。
  • 右值引用的记号是&&，比如 int&& a = 5; 注意，a 虽然是一个右值引用变量，但它本身确是一个左值，因为它可以取地址。要转换成右值引用的话，需要用到下面的move函数。
  • move函数在<utility>头文件中，为了实现将普通变量转换为右值引用。从语义上讲，被move过的对象不再有效。但是move一个类似int，不管理资源，不涉及复杂状态的对象则毫无影响。其实，move只对定义了move constructor或者move assignment operator的对象真正有作用。move过的对象不再有效。
  • move constructor 是以 T&&为参数的T类型的constructor，而move assignment operator是以T&&为参数的operator=的重载版本。再次提醒，这里的右值引用一定不会是const，因为move语义要改变右值引用对象的值，将它持有的资源搬移过来。
  • 右值引用配合move语义，可以直接将资源从临时对象“剪切”并“粘贴”到目标对象上，提高效率。右值引用用来引出“剪切”和“粘贴”操作，具体的过程，则由move constructor和move assignment operator完成。
  • 左值引用(lvr)和右值引用(rvr)的重载规则：
    • 只实现了void foo(T&) : 不接受rvr，只接受lvr。
    • 只实现了void foo(const T&) : 可以接收rvr和lvr。
    • 实现了void foo(const T&)和void foo(T&&) : 可以区分出rvr和lvr两种调用。如果有move语义，就使用T&&格式；否则使用普通拷贝。
    • 只实现了void foo(T&&) : 智能接受rvr。
  • 返回值的rvr：
    • 返回值不应该使用move函数，编译器会根据情况去调用。对于如下的代码段，以下的行为是可以保证的。

      X foo()
      {
        X x; ... return x;
      }

    • 如果定义了copy constructor或者move copy constructor，首先执行NRV(named return value)优化(参考《Inside the C++ object model》2.3节)。NRV在C++11之前已经被广泛支持，在C++11中把它规范化。
    • 如果定义了move copy constructor，执行move语义。
    • 否则，如果定义了copy constructor，执行copy语义。
    • 否则，编译时错误。
    • 注意！返回值类型不能是rvr，因为rvr始终还是引用。引用返回的局部变量是没有意义的。
  • 关于右值引用的深入理解，可参考另一篇博文：C++右值引用
• 新的字符串字面值：
  • Raw String Literal : 不需要转义的字符串字面值。

  • const char* pFile = R"(C:\Windows\Somepath.file)";// 等价于 "C:\\Windows\\Somepath.file";
    const char* pName = R"nc(Alcohol"(wine)")nc"; // 如果字符串中出现"(或者)"，可以加入分隔符，比如nc。
    const char* pUtf8 = u8"utf8字符串"; // u8表示utf8字符串;
    const char16_t* pChar16t = u"双字节字符串"; // u表示双字节字符串;
    const char32_t* pChar32t = U"四字节字符串"; // U表示四字节字符串;
    const wchar_t* pwchart = L"宽字符串"; // L表示宽字符串;

  • 注意，R格式的字面值，可以用u8，u，U，L修饰。

• noexcept关键字，有两层含义：
  • 作为声明，表示函数不会抛出异常，例: void foo() noexcept; 相当于throw()。声明时可以附带参数。
  • 作为运算符，返回某个函数是否会抛出异常，例: vector<int> vi; noexcept(vi.at[0]);// true。
• constexpr关键字
  • 表示表达式可以在编译时求值，可以被当做常量处理。例如: std::numeric_limits<short>::max()就是一个被constexpr修饰的表达式。它可以用来初始化数组的长度了。
• 模板的新特性
  • 模板参数个数可变（这个特性有点疯狂）:

    template <typename T, typename ... Types>
    void print(const T& arg0, const Types&... args)
    {
        std::cout << arg0 <<std::endl; // 打印第一个值。
        print(args...); // 打印剩余的值。递归吗？
    }

    std::tuple<>大量使用这个特性。

  • 模板别名 :

  • template<typename T>
    using Vec = std::vector<T, MyAlloc<T>>; // Vec是一个别名模板，它是std::vector<T, MyAlloc<T>>的别名;
    // 模板别名的声明格式: template<typename T> using alias = ...;
    Vec<int> vec;

  • 其他特性 : 函数模板可以有默认参数，局部类型也可以作为模板参数等
• lambda函数（匿名函数），比如 [=, &b](int a)->int{return a + b;}，它是实现闭包的关键。
  • =, &b叫做capture(捕获)，它用来限定lambda可以访问的外部context中非静态变量的方式。
  • [=, &b] 整个叫做lambda introducer(lambda引导器)。
  • {...}中的内容为函数体。
  • lambda可以有参数，mutable修饰符，exception说明，属性修饰符和返回值类型。所有都是可选的，但是只要出现一个，那么小括号()就一定要有。所以，lambda的格式就有两种：
    • [...]{...}
    • [...](...)mutable_opt, throw_opt ->returnType_opt {...} 
  • 如果没有写返回值，lambda的返回值根据return的类型来自动推导。
  • capture的格式，[=]表示所有外部变量都是传值的，外部变量只读；[&]表示所有外部变量都是传引用的，对外部变量读写；也可以为单个外部变量指定访问模式，比如[=, &a]表示除了a之外，所有其他变量都是传值的。
  • lambda表达式都可以转换为仿函数。
  • lambda的类型是匿名函数对象，每个lambda对象的类型都不一样。声明lambda的类型需要模板，或者auto关键字，或者decltype关键字。此外，也可以用std::function类模板，指定一种函数式编程(FP)的通用类型。
• decltype关键字
  • decltype(exp) 表示 exp的类型，可以用在所有需要变量声明的地方。
  • decltype的典型应用：声明返回值类型（见下一条）；在声明容器，需要functor类型作为模板参数时，传递lambda的类型。
• 新的函数声明语法
  • 当函数的返回值依赖于包含参数的表达式，比如：

    template<typename T1, typename T2>
    auto add(T1 x, T2 y)->decltype(x + y) {...} // 与lambda的声明类似。add的返回类型，是x + y的类型。但是在C++11之前是不可行的。

• 作用域受限的枚举

  • enum class Salution : char{mr, ms, co, none};

  • 也叫做“强枚举”或者“枚举类”；
  • 它与int之间的隐式转换是不可能的；
  • 枚举值，比如mr，不在Salution声明的作用域中，Salution::mr才在；
  • 可以用": type"指定构成枚举的数据类型，默认为int；
  • 支持前向声明；
  • 类型特性std::underling_type可以返回构成枚举值的类型。
• 新的基本数据类型
  • char16_t 和 char32_t;
  • long long 和 unsigned long long;
  • std::nullptr_t