decltype()

摘要

本文是关于 decltype() 的学习笔记。各种版权都属于原作者。如果存在侵权行为，请通知本人删除。

decltype()

这是个什么东西？对于指定的名字或者表达式，decltype() 能给出它的类型，就仿佛 sizeof() 能告诉我对象的尺寸。

名字或表达式（举例）	decltype 的用法	结果类型
const int i = 0;	decltype(i) //普通变量	const int // 变量的类型
bool f(const Widget& w)	decltype(w) //函数形参 decltype(f) //函数名称	const Widget& //形参的类型 bool(const Widget&) //函数的类型
struct point { int x, y; };	decltype(Point::x) //结构体成员 decltype(Point::y)	int int
Widget w	decltype(w) //类的实例对象	Widget //对象所属的类
if ( f(w) ) ...	decltype(f(w)) //函数调用表达式	bool //函数的返回类型
template<typename T> class vector { public: ... T& operator[](std::size_t index); ... }; vector<int> v; ... if (v[0]==0)...	std::vector 的简化版 decltype(v)//模板类的实例划对象名字 decltype(v[0])// 取元素的表达式	vector<int> int&

从这张表大概可以感受到decltype()的能力和推导规则，基本上就是有一说一。

貌似可以翻译为拓印类型或者叫类型拓印，类似于中国传统的拓印技术。

最佳实践：代码案例研究

假设我们想要撰写一个函数，其形参包括一个容器，支持方括号下标语法（即[]）和一个下标，并会在返回下标操作结果前进行用户验证。函数的返回值型别必须与下标操作结果的返回值型别相同。

下标操作返回的是对容器内元素的引用。

版本一 C++11 （v1.0）

template<typename Container, typename Index>
auto authAndAccess( Container& c, Index i)
  -> decltype(c[i]) // 学生以为这种写法着实难看, 不是C++的传统风格。
{
    authenticateUser();
    return c[i];
}

这里的auto与类型推导没有任何关系，它仅仅是C++11中的函数的返回类型尾序语法的指示（trailing return type syntax），即 返回类型放在形参列表之后（在 -> 之后）。尾序返回值的好处是可以使用形参。

版本二 C++14（有缺陷 v0.1）

template <typename Container, typename Index)
auto authAndAccess( Container &c, Index i ) // c++14
{
    authenticationUser();
    return c[i];  // 函数的返回类型根据 c[i] 推导，有点问题
}

auto 这里不再是个简单的指示了，而是要求编译器推导函数的返回类型，即c[i]类型。

还有点儿问题，在哪儿呢？看一段使用它的代码：

std::deque<int> d;
// ...
authAndAccess(d, 5) = 10; 
// 验证用户，并返回d[5]，然后将其赋值为10（因为
// 从逻辑上函数返回的似乎是int&引用，所以使用者认为可以赋值修改），
// 但这个代码无法通过编译

原来，在模板类型推导规则中，如果是在初始化表达式中，那推导结果类型中的引用修饰就被去掉了。编译时会爆出如下的错误：

[ ~/workspace/temp ] %  g++ -std=c++14 -Wall -o decltype decltype.cc
decltype.cc:20:23: error: expression is not assignable
  authAndAccess(d, 5) = 10;
  ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~ ^

剥掉了引用属性的返回类型是一个int型右值，无法被赋值修改。

如果我把函数调用放到赋值的右边，并用一个引用型变量接收，看看编译器报告的错误信息：

int & v = authAndAccess(d, 5)
//           ^^^^^^^^^^^^^^^^
// error: non-const lvalue reference to type 'int' 
// cannot bind to a temporary of type 'int'

从消息中可以清晰看到，函数返回类型是int，它的引用属性被干掉了。

版本三 用 C++14 实现（v1.0）

如何才能同时做到：

• 让编译器自动推导函数返回类型。
• 让编译器使用decltype()的推导规则（而不是auto的推导规则）。
  答案好像也很简单：鱼和熊掌一锅炖了……

template<typename Container, typename Index>
decltype(auto) // C++14, 现在函数的返回类型真的跟c[i]一样了！
authAndAccess( Container& c, Index i)
{
    authenticateUser();
    return c[i];
}

作者终于端出来了一盘美味！

decltype(auto)

它不光可以用在函数返回类型上，也可以用在变量上。

Widget w;
const Widget& cw = w;
auto myWidget1 = cw;  // 使用 auto 类型推导规则，
                      // 结果myWidget1的类型是Widget
decltype(auto) myWidget2 = cw; // 亦是类型推导，但应用的是decltype()
                     // 结果myWidget2的类型就是 Widget&

怎么来理解 decltype(auto) 呢？总而言之就是告诉编译器这里需要做自动类型推导，并且推导规则就用 decltype()的规则。

版本四：C++11/14 v2.0 面对右值引用的代码缺陷

缺陷与如何使用这个 authAndAccess() 时的实参有关系。

第（1）种情况：在这个函数调用表达式之前，第1个入参即容器已经存在，并且在表达式执行完毕后还继续存在。例如：

std::deque<int> d;
// ... 一些处理
auto s = authAndAccess(d, 5);
s = 10;

之前的版本处理的很好。

第（2）种情况：容器入参是在函数调用表达式执行时产生的，表达式执行完毕后对象就析构了。例如：

std::deque<std::string> makeStringDeque();  // 工厂函数

auto s = authAndAccess(makeStringDeque(), 5);
s += "ok"; 

第2行的函数调用表达式种，第1个参数是由工厂函数生成的一个临时对象；表达式执行完毕后，这个临时对象就析构了。像这种对临时对象的引用，一般叫右值引用。

第3行代码现在还正确吗？注意，s 现在成了一个悬空引用。为什么？当右值对象析构时，会一并析构其元素对象（即 std::string）。

解决方法有两种：（1）利用函数重载，一个版本用于左值引用，一个版本用于右值引用。（2）使用“万能引用”并配合“完美转发”。

C++14版本：

template<typename Container, typename Index>
decltype(auto)
authAndAccess(Container&& c, Index i)
{
    authenticateUser();
    return std::forward<Container>(c)[i];
}

C++11版本：

template<typename Container, typename Index>
auto authAndAccess( Container&& c, Index i )
-> decltype(std::forward<Container>(c)[i])
{
    authenticateUser();
    return std::forward<Container>(c)[i];
}

关于万能引用和完美转发，另有学习专章。

一种神奇的坑

一个看似无关紧要的返回值写法上的小改动，就会影响道函数的类型推导结果：

decltype(auto) f1()
{
  int x = 0;
  // ...
  return x; // decltype(x)是int，因此f1返回的是int
}

decltype(auto) f2()
{
  int x = 0;
  // ...
  return (x); // decltype((x))是int&,所以f2返回的是int&
}

对于f2，其返回的是对局部变量的引用，这是一种未定义行为。

教训：使用 decltype(auto) 要极其小心翼翼。

查看类型推导结果的方法

（一）利用 IDE 编辑器和编译器，实现静态的类型查看。

（二）利用 std::type_info::name 结果有时不太准确。。

（三）利用 Boost.TypeIndex 组件。

#include <boost/type_index.hpp>

template<typename T>
void f( const T& param )
{
    using std::cout;
    using boost::typeindex::type_id_with_cvr;
    
    // 显示 T 的类型
    cout << "T =    "
         << type_id_with_cvr<T>().pretty_name()
         << '\n';
         
   cout << "param = "
        << type_id_with_cvr<decltype(param)>().pretty_name()
        << '\n';
}

再看看用户端代码:

std::vector<Widget> createVec();  // 工厂函数

const auto vw = createVec();  // 使用工厂函数返回值初始化 vw

if ( !vw.empty() ) {
    f(&vw[0]);
    // ...
}

输出是:

T =     Widget const*
param = Widget const* const&

本文内容来自多种资料，包括但不限于《Effective Modern C++》，《C++ Primer》（第5版），《C++程序设计语言》（第四版）等。