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Reuben Sun

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C++11特性

program

发布于：2023年2月1日

C++11特性

都什么年代了，还在整C++11？八股害人啊

一：C++11的“新”特性

nullptr

一个新关键字，用于表示指针指向no value，可以被自动转化为各种指针类型，但是不会被转化为整数

比NULL好，因为NULL的本质就是整数0

auto

通过auto声明变量、对象，可以自动推到其类型，在处理表达式时有奇效

auto l = [](int x) -> {...};

一致性初始化

一致性初始化（Uniform Initiallization），简单来说就是可以用大括号来做初始化

int v[] {1, 2, 3};
vector<int> v2 {1, 2, 3};
complex<double> c{4.0, 3.0};

但是这个操作不支持窄化（narrowing），即

int x = 5.3;	//x == 5
int y {5.3};	//Error

新的for循环

for(auto& item: lists){...}

for(int i : {1, 2, 3, 4}){...}

左值右值

左值：占用一定内存，具有可辨认的地址的对象（表达式结束后仍然存在的持久对象），C++中绝大多数变量都是左值

int i = 1;		// i 是左值
int *p = &i;	// i 的地址是可辨认的
i = 2; 				// i 在内存中的值可以改变
A a; 					// 用户自定义类实例化的对象也是左值

右值：左值以外的所有对象（表达式结束后就消失的对象）

int i = 2;			// 2 是右值
int x = i + 2; 	// (i + 2) 是右值
A a = A(); 			// A() 是右值，是一个临时对象，在a构造完成后会被销毁
A&& a = A();		// a是一个右值引用，引用的就是A()所创建的对象，这个对象的生命周期和a一致
int i = sum(1, 2) 	// sum(1, 2) 是右值

不能对右值赋值

i + 2 = 4; // 错误，不能对右值赋值

不能对右值取地址

int *p = &(i + 2);	// 错误，不能对右值取地址
int square1(int& a) {return a * a;}
int square2(const int& a) {return a * a;} 
...
int i = 2;
square1(i); // 正确
square1(2); // 错误，不能对右值取地址
square2(2);	// 正确

为什么可以const int &a = 2;呢？可以视为一个例外，const引用 指向了一个 临时左值的引用，其值为2

转移语意

转移语意（move semantic），本质是所有权的转移，将即将销毁的对象转移给他人，避免非必要的拷贝和临时对象

比如一个函数定义为

void fun(const T& v){...}

当我们调用时

T t;
fun(t);		//1
fun(t+1);	//2

我们发现，第一种调用时，直接传了引用，没有拷贝和临时变量，而第二种，实际上是

T temp = t+1;		//T temp(t+1)或者 T temp.T(t+1)
fun(temp);

总之是调用了拷贝构造函数和生成了临时变量，这不是我们想要的，于是引入了左右值和转移语意的概念，然后就诞生了一种新的调用方式：

fun(std::move(t+1));

std::move的作用是将其参数t+1变成一个右值引用（rvalue reference），是一个T&&的类型

一旦一个类型被“标记”为右值，就意味着这是一个临时对象，你可以随意使用它的内容和资源

然后我们可以优化一下这个函数的定义

class T{
public:
  T (const T& lvalue);	// 通过左值拷贝构造（根传统C++一样）
  T (T&& rvalue);		// 通过右值move构造
}
void fun(T&& v){...}

右值被move以后，就变成有效但不确定的状态

字符串字面量

Raw String Literal

以R开头的字符串，可以换行，不需要转义，用于正则表示式有奇效

R"(\\n)";	//等于 "\\\\n"

Encoded String Literal

用于国际化

noexcept

让函数无法抛出异常，遇到未定义事件会直接abort

noexcept后面可以跟一个bool条件，为true时就不抛异常

void fun() noexcept;
void fun2(T& x, T& y) noexcept(noexcept(x.swap(y))){
    x.swap(y);
    //这个函数意味着，只要xy交换不抛异常，那么下面这些函数体做任何事都不会抛异常
}

constexpr

用于让表达式核定与编译期，能助力TMP编程

constexpr int square(int x){
    return x*x;
}
float a[square(9)];
//以前的写法
template<unsigned n>
struct Factorial
{
    enum { value = n * Factorial<n-1>::value };
};
//C++11写法
template<unsigned n>
struct Factorial
{
    constexpr static auto value{ n * Factorial<n - 1>::value };
};

新的模板

不定个数的参数

void f(int i){
    cout << i << endl;
}
template <typename T , typename... Types>
void f(const T& first, const Types&... args){
    cout << first << endl;
    f(args...);
}
int main() {
    f(1, 2, 3);
    return 0;
}

模板别名

template <typename T>
using Vec = std::vector<T, MyAlloc<T>>;
Vec<int> coll;	//等价于std::vector<int, MyAlloc<int>> coll;

Lambda

允许函数的定义式被用作一个参数、local对象

定义与调用

[]{
    cout << "hello" << endl;
};	//这是一个lambda表达式

[]{
    cout << "hello" << endl;
}();	//定义并直接调用表达式

auto l = []{
    cout << "hello" << endl;
};
l();	//调用表达式

含参

auto l2 = [](const std::string& s){
    cout << s << endl;
};
l("hello");

返回值

[]() -> int {
    return 42;	
}

外部作用域

分值传递和引用传递两种，值传递不能进行修改

int x = 0;
int y = 42;
auto l = [x, &y] {
    cout << x << "+" << y << endl;
    ++y;
}
l();	//调用，注意xy不是参数，不需要写在括号里

mutable

这个关键词是const的反义词，意思是可变的，于是让值传递也可变

int x = 0;
auto l = [x]() mutable {
    cout << x << endl;
    x++;
}
l();

decltype

自动推导表达式的类型，大号typeof

const int &i = 1;
int a = 2;
decltype(i) b = 2; // b是const int&

推断返回类型

可以将返回类型的声明放在参数列之后

template <typename T1, typename T2>
auto add(T1 x, T2 y) -> decltype(x+y){
    return x + y;
}

带领域的枚举

promise与future

std::promise意思为共享状态，是C++11提供的在两个异步任务间传递数据的方式，常与std::future一起使用

void producer(std::promise<int>& p)
{
    // 生产者端
    std::cout << "Producer\n";
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
    // 设置共享数据为 42
    p.set_value(42);
}

int main() {
    std::promise<int> p;
    // 将 promise 与 future 绑定
    std::future<int> f = p.get_future();
    std::thread producer_thread(producer, std::ref(p));
    // 分离执行线程
    producer_thread.detach();
    int result = f.get();
    std::cout << "Result: " << result << std::endl;
    return 0;
}

std::thread用于表示一个执行线程，这个线程可以选择在主线程执行join()或者另一个线程中执行detach()。

若使用join()，则主线程会等待子线程执行完毕后再继续执行，若使用detach()，则主线程会直接执行，而子线程会在后台执行，两者不会相互影响。

二：一般概念

可被调用的对象

Callable Object，一种对象，可以通过某些方式调用其某些函数，它可以是

  • 函数
  • 指向成员函数的指针
  • 函数对象
  • lambda表达式

三：通用工具

pair

本质是一个struct

int add(pair<int, int> p){
    return p.first + p.second;
}

int main() {
    pair<int, int> p(42, 10);
    cout << add(p);
    return 0;
}

tuple

大号pair，可以有多个值

int f(tuple<int, int, int> t){
    return get<0>(t) + get<1>(t) + get<2>(t);
}
int main() {
    tuple<int, int, int> t(3, 5, 7);
    cout << f(t);
    return 0;
}

智能指针

智能指针智能在，它能知道自己是不是指向某物的最后一个指针

  • shared_ptr：共享式拥有
    • 多个指针可以指向一个资源，通过引用计数法GC
    • 为了解决引用计数法的缺点（比如循环引用），提供weak_ptr等辅助类
  • unique_ptr：独占式拥有
    • 同一时间只能有一个unique_ptr指向某个资源，可以进行拥有权的移交

极值

Numeric Limit

用于得到当前平台下，一些数值类型的长度（大小）

Trait

是一种技术方案，用来为同一类数据提供统一的操作函数，核心就是使用另外的模版类type_traits存储不同数据类型的type，这样就可以兼容各种数据类型

外覆器

Reference Wrapper

允许函数模板可以操作引用，不需要写特化版本

具体有两个函数

  • ref：隐式转化为T&
  • cref：隐式转化为const T &
template <typename T>
void fun(T v);

int x;
fun(std::ref(x));	//此时T为int&

int x;
fun(std::cref(x));	//此时T为const int&

Function Type Wrapper

允许将可调用对象当作最高级对象（first-class object）

vector<function<void(int, int)>> tasks;	//一个存储多个可调用对象的vector
tasks.push_back(func);	//void func(int x, int y);
tasks.push_back([] (int x, int y) {...});	//添加一个lambda表达式

for(function<void(int, int)> f : tasks){
    f(36, 36);	//遍历所有的可调用对象，并调用
}

辅助函数

  • min
  • max
  • swap
  • operator
    • ==
    • !=
    • >
    • <
    • >=
    • <=

编译期分数运算

ratio<5, 5> one;
cout << one.num << "/" << one.den << endl;	// 1/1

ratio<5, 3> two;
cout << two.num << "/" << two.den << endl;	// 5/3

四：STL

STL是C++标准库的核心，是一个泛型（generic）程序库，由三部分组成

  • 容器（Container）
  • 迭代器（Iterator）
  • 算法（Algorithm）

有序容器

顺序与插入顺序有关，与元素值无关，常常通过array、linked list实现

  • array
  • vector
  • deque
  • list
  • forward_list

关联式容器

在内部进行排序的集合，位置取决于value，常常通过二叉树实现

  • set
  • multiset（mult的意思是元素可以重复）
  • map
  • multimap（mult的意思是key可以重复）

无序容器

元素位置无关紧要，重要的是元素是否在容器内，常常通过哈希表实现

  • unordered_set
  • unordered_multiset
  • unordered_map
  • unordered_multmap

让一个类可以作为unordered_map的key

核心是特化std

class Student
{
public:
	Student(int id, std::string name) : m_id(id), m_name(name) {}

	size_t hash() const
	{
		return std::hash<int>()(m_id) ^ std::hash<std::string>()(m_name);
	}

	bool operator==(const Student& other) const
	{
		return m_id == other.m_id && m_name == other.m_name;
	}
private:
	int m_id;
	std::string m_name;
};

namespace std
{
	template<>
	struct hash<Student>
	{
		size_t operator()(const Student& student) const
		{
			return student.hash();
		}
	};
}
std::unordered_map<Student, int> student_score_map;
Student student1(1, "Alice");
Student student2(2, "Bob");
student_score_map.emplace(student1, 100);
student_score_map.emplace(student2, 90);

其他容器

  • string
  • 寻常的数组（一种type，而非class）

迭代器

迭代器是一个可以遍历STL容器全部、部分元素的对象

操作

  • *：取元素
  • ++：迭代器前进至下一个元素
    • 注意，++i比i++效率高一点点，因为后者要创建临时对象
  • ==、!=：判断两个迭代器是否指向同一个位置
  • =：赋值

种类

R/W 读写次数 跳转 举例
输入/输出迭代器 只读/只写 能且仅能读写一次 i++ istream_iterators、ostream_iterators
前向/双向迭代器 读写 能读写多次 i++ STL的set、map
随机访问迭代器 读写 能读写多次 i += n vector、deque、string、array

从上到下，迭代器能力越来越强（他们间有继承关系，前向 is a 输入）

算法

大多为非成员函数，思想是泛型编程（而不是OOP）

函数对象

一个行为像函数的对象，思想是泛型编程

class X{
public:
    int operator() (int a, int b) const;
};
...
X fo;
fo(arg1, arg2);	//等同于fo.operator()(arg1, arg2);
  • 函数对象是一个带状态的函数
  • 函数对象有自己的类型
  • 函数对象速度通常比普通函数快（编译期间有更好的优化）

更新于：2024年7月3日

CXX

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