C++ 学习笔记——十二、探讨 C++ 新标准

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一、复习

1. 新类型

C++ 11 新增了类型 long long 和 unsigned long long ，以支持 64 位（或更宽）的整型；新增了类型 char16_t 和 char32_t ，以支持 16 位和 32 位的字符表示；还新增了“原始字符串”。

2. 统一的初始化

C++ 11 扩大了用大括号括起的列表（初始化列表）的适用范围，使其可用于所有内置类型和用户定义的类型（即类对象）。使用初始化列表时，可添加等号，也可不添加：

3. 声明

C++ 11 提供了多种简化声明的功能：

4. 智能指针

如果在程序中使用 new 从堆分配内存，等到不再需要时，应使用 delete 释放，新增智能指针帮助自动化完成该过程。C++ 11 摒弃了 auto_ptr ，新增了 unique_ptr 、shared_ptr 、weak_ptr 。

5. 异常规范

用于指出函数可能引发哪些异常：

6. 作用域内枚举

传统枚举：

提供了一种创建名称常量的方法，但其类型检查相当低级。

枚举名的作用域为枚举定义所属的作用域，这意味着如果在同一个作用域内定义两个枚举，它们的枚举成员不能同名。

枚举可能不是可完全移植的，因为不同的实现可能选择不同的底层类型。

为解决这些问题，新增枚举：

7. 对类的修改

禁止隐式转换运算符：

类内成员初始化：

可以使用等号和大括号初始化，但不能使用圆括号。通过类内初始化可以避免在构造函数内编写重复代码。

8. 模板和 STL

基于范围的 for 循环：

新增 STL 容器：

容器	作用
forward_list	单向链表
unordered_map	无序 map
unordered_multimap	无序、可重复 map
unordered_set	无序 set
unordered_multiset	无需、可重复 set
array	数组

新增 STL 方法：

方法	说明
cbegin()	指向容器第一个元素，并将元素视为 const
cend()	指向容器最后一个元素的后面，并将元素视为 const

对 valarray 进行升级，添加了 begin() 和 end() ，使之可以被迭代器访问，从而能够将基于范围的 STL 算法用于该容器。

摒弃 export ，原本作用为让程序员能够将模板定义放在接口文件和实现文件中，其中前者包含原型和模板声明，后者包含模板函数和方法的定义。

新增尖括号的识别，避免了与 >> 运算符混淆。

9. 右值引用

左值是一个表示数据的表达式（变量名、解除引用的指针），最初只能出现在赋值语句左边，但是随着 const 引入，也可以出现在赋值语句右边：

右值则是一个表示运算的表达式（不能对其赋值），不能应用取地址符，这种方式更像是创建并保存了一个表达式结果的副本，并引用了这个副本：

二、移动语义和右值引用

1. 移动语义

vector 和 string 类都使用动态内存分配，因此它们必须定义使用某种 new 版本的拷贝构造函数。为初始化对象 vstr_copy1 ，拷贝构造函数 vector<string> 将使用 new 给 2 万个 string 对象分配内存，而每个 string 对象又将调用 string 的拷贝构造函数，该构造函数使用 new 为 1 千个字符分配内存。接下来全部的字符都将从 vstr 控制的内存种复制到 vstr_copy1 控制的内存中。这样的工作量巨大，并且存在问题：

解决这个问题的方法为不删除 tmp 变量，而是转移所有权，该操作称为移动语义（move semantics），这样避免了删除和拷贝原数据。要实现它，需要让编译器直到何时需要复制，何时不需要，这就是右值发挥作用的地方。可以定义两个构造函数，一个是常规拷贝构造函数，使用 const 左值引用作为参数，这个引用关联到左值实参，如语句 1 的 vstr ；另一个是移动构造函数，使用右值引用作为参数，该引用关联到右值实参，如语句 2 种 allcaps 函数的返回值 tmp 。拷贝构造函数可执行深复制，而移动构造函数只负责调整记录（转换所有权）。由于移动构造函数可能修改其实参，因此右值引用不应是 const 。

虽然右值引用可支持移动语义，但是需要执行两个步骤来执行。

首先，让编译器直到何时可使用移动语义：

对象 one 是左值，因此与左值引用匹配，调用拷贝构造函数；one + three 是右值，与右值引用匹配，调用移动构造函数。

然后，编写移动构造函数，提供所需的方法。

2. 赋值

适用于构造函数的移动语义考虑也适用于赋值运算符，即移动赋值运算符：

与上一种情况相同，由于修改了源对象，因此不能使用 const 引用。

3. 强制移动

上述两个例子使用了右值，如果要使用左值，就需要强制移动：

由于 choices[pick] 是左值，因此上述赋值语句将使用复制赋值运算符，而不是移动赋值运算符，但如果能让它看起来像右值，便将使用移动赋值运算符。为此可使用运算符 static_cast<> 将对象的类型强制转换为 Useless && ，但 C++ 11 在 utility 头文件中提供了一种更简单的方式 std::move ：

如果定义了移动赋值运算符，则调用移动赋值运算符；如果没有定义则调用复制赋值运算符；如果复制赋值运算符也没有定义，则不允许上述赋值。

三、新的类功能

1. 特殊成员函数

C++ 11 在原有的 4 个特殊成员函数（默认构造函数、复制构造函数、复制赋值运算符和析构函数）的基础上，新增了移动构造函数和移动赋值运算符。这些成员函数是编译器在各种情况下自动提供的。但是存在一些例外：

如果显式的提供了析构函数、复制构造函数或复制赋值运算符，编译器将不会自动提供移动构造函数和移动赋值运算符；

如果显式的提供了移动构造函数或移动赋值运算符，编译器将不会自动提供复制构造函数和复制赋值运算符；

默认的移动构造函数和移动赋值运算符的工作方式与复制版本类似，将会采取复制的策略处理；

如果由于显式的提供了移动构造函数，导致系统没有自动创建默认的构造函数、拷贝构造函数和复制赋值运算符，此时可以使用 default 关键字显式地生命这些方法为默认版本，该方法只能用于这 6 个特殊的成员函数：

相对的，关键字 delete 可用于禁止使用特定方法，可以用于任何成员函数：

如果要启动移动方法的同时禁用复制方法，则会导致左值的操作失效：

2. 委托构造函数

如果需要给类提供多个构造函数，其中部分构造函数的代码需要重用，C++ 11 允许在一个构造函数的定义中使用另一个构造函数，这被称为委托构造函数：

3. 继承构造函数

为了进一步简化编码工作，C++ 11 还提供了一种让派生类能够继承基类构造函数的机制。C++ 98 提供了一种让名称空间中函数可用的语法：

也可以使用这种方法让基类所有非特殊成员函数对派生类可用：

C++ 11 将这种方法用于构造函数，这让派生类继承基类的所有构造函数（除默认构造函数、复制构造函数和移动构造函数），但不会使用与派生类构造函数的特征标匹配的构造函数（理解为重写，因此不调用父类的方法而是使用派生类自己的）。

4. 管理虚方法

假设基类声明了一个虚方法，而要在派生类中提供不同的版本，这将覆盖旧版本。但是由之前的讨论可知，如果特征标不匹配，将隐藏而不是覆盖旧版本：

此时由于派生类定义的虚函数参数为指针，而不是 char ，因此导致程序不能执行：

C++ 11 可使用虚说明符 override 在派生类中指出要覆盖一个虚函数：

如果想要禁止派生类覆盖特定方法，可以在基类中使用 final 虚说明符：

由于虚说明符不是关键字，因此编译器将根据上下文来确定其是否具有特殊含义，在其他场景中可以作为常规标识符使用。

四、Lambda 函数

Lambda 函数是 λ 演算——一种定义和应用函数的数学系统，可以使用匿名函数替代函数指针和函数符。首先使用函数指针、函数符和 Lambda 函数来实现一个函数：判断有多少个元素能够被 3 整除。

函数指针：

函数符：

Lambda 函数：

需要注意的是，自动推断只有在一条返回语句组成时才有效，否则需要显式给出具体类型：

如果需要多次使用同一个 Lambda 函数，可以给它指定一个名称，并且可以作为正常函数使用：

Lambda 函数可访问作用域内的任何动态变量，需将其放入 [] 内：

按值使用：[z] ；

引用：[&z] ；

访问所有动态变量：[=] 、[&]；

混合使用：[&, z] ，表示 z 按值使用，其他变量按引用使用。

五、包装器

包装器（wrapper，也叫适配器 adapter），用于给其他编程接口提供更一致或更合适的接口。

ef 可以是函数名、函数指针、函数对象或有名称的 lambda 表达式，这些都为可调用的类型（callable type），由于可调用的类型丰富，因此可能导致模板的效率降低，下面是一个例子：

可以发现，在每次调用中，模板参数 T 都被设置为类型 double ，但是 F 的类型却各不相同，下面进行分析：

use_f(y, dub); ：dub 是一个函数指针，因此 F 的类型为 double(*)(double) ；

use_f(y, square); ：与上一个相同；

use_f(y, Fp(5.0)); ：F 的类型为 Fp ；

use_f(y, Fq(5.0)); ：F 的类型为 Fq；

use_f(y, [](double u){return u * u;}); ：F 为 lambda 表达式使用的类型；

use_f(y, [](double u){return u + u / 2.0;}); ：F 为 lambda 表达式使用的类型；

因此可以发现同样的模板代码，生成了 5 个不同的实例，而由于这 6 个调用中的调用特征标均为 double(double) ，导致造成了浪费。模板 function 是在头文件 functional 中声明的，他从调用特征标的角度定义了一个对象，可用于包装调用特征标相同的函数指针、函数对象或 labmda 表达式：

下面改写上一个例子：

此时只创建了一个实例，节省了资源，还可以进一步简化：

另外可以对源函数进行修改：

由于函数本身的类型不是 function<double(double)> ，因此在 use_f 后面使用了 <double> 来指出所需的具体化。

六、可变参数模板

如果想要对一个函数传递任意的参数列表，根据之前所学的知识是对其进行重载，但是这样很难满足“任意”的需求，因此需要可变参数模板。

1. 模板和函数参数包

上述代码中有两个参数列表，模板参数列表中只包含 T ，函数参数列表只包含 value 。C++ 11 提供了一个用省略号表示的元运算符（mera-operator），可以声明表示模板参数包的标识符（类型列表），还能够声明表示函数参数包的标识符（值列表）：

其中，Args 是一个模板参数包，而 args 是一个函数参数包：

2. 展开参数包

上面的代码存在缺陷，会导致无限循环，正确的使用方法如下：

考虑到参数结束的情况，还可以对其进行改进，重新定义一个只接受一项参数的版本：

考虑到直接传值效率很低，因此可以使用引用：