C++11 特性

作者: 张宇航_Ken | 来源:发表于2018-01-25 23:01 被阅读36次

C++ 11引入了大量非常有用的特性，使代码更直观、安全、简洁、方便。
此处列举的仅是一部分较常用的特性，完整的列表还需参考官方文档或者微软的文档：Support For C++11/14/17 Features (Modern C++)

初始化列表 Initializer List

所有STL容器都支持初始化列表，如下：

std::vector<int> v = { 1, 2, 3 };
std::list<int> l = { 1, 2, 3 };
std::set<int> s = { 1, 2, 3 };
std::map<int, std::string> m = { {1, "a"}, {2, "b"} };

在自定义class上支持初始化列表

#include <initializer_list>

class A {
public:
    B(const std::initializer_list<int>& items)
        : m_items(items)
    {}

private:
    std::vector<int> m_items;
};

A a1 = { 1, 2, 3 };
// 或者
A a2{ 1, 2, 3 };

统一的初始化方法 Uniform Initialization

可以统一使用大括号{}进行初始化。对构造函数的选择的优先级如下：

class A {
public:
    // first choice
    A(const std::initializer_list<int>& v) : age(*v.begin())
    {}

    // second choice
    A(int age) : age(age)
    {}

    // third choice
    int age;
};

A a{ 5 };

上面的调用会选择带初始化列表的构造函数。

class A {
public:
    A() {}

    int age;
};

A a{ 5 };

这个代码会编译出错。因为存在构造函数，但函数签名又不匹配。换言之，只要存在自定义的构造函数，就要求至少有一个构造函数的参数列表与大括号中的参数完全匹配，才能使用这种方式初始化。

类型推导 Auto Type

过去的这种冗长的类型声明

std::map<int, std::string>::const_iterator itr = m.find(1);

现在可以写成这样了

auto itr = m.find(1);

编译器会自动推导出正确的类型。字面量也可以：

auto i = 1;          // int
auto d = 1.1;        // double
auto s = "hi";       // const char*
auto a = { 1, 2 };   // std:: initializer_list<int>

如果是用Visual Studio，把鼠标悬停在变量名上方，可以看到推导后的类型名称。类型推导对于泛型编程非常方便，比如：

template<typename T, typename K>
auto add(T a, K b) {
    return a + b;
}

auto a = add(1, 2);     // int add(int, int)
auto b = add(1, 2.2);   // double add(int, double)

留意第二个调用，返回值被正确地推断为double类型。

遍历 foreach

以前遍历vector一般是这么写的

for (std::vector<int>::const_iterator itr = v.begin(); itr != v.end(); ++itr) {
    std::cout << *itr << std::endl;
}

这样写有两个缺点：

迭代器声明很冗长（用auto可以部分解决）
循环内部必须对迭代器解引用（主要是难看）

可以使用的新的遍历方式：

for (int i : v) {
    std::cout << i << std::endl;
}

代码立马简洁了许多。但是要注意，这里每次循环，会对i进行一次拷贝。此处i是一个int值，拷贝不会造成问题，但是如果是一个class，我们就更希望用引用的方式进行遍历，一般写成：

std::vector<string> v = { "a", "b" };

for (auto& s : v) {
    std::cout << s << std::endl;
}

用auto&即可以变成引用方式遍历，甚至还能在循环中改变它的值。也可以使用const auto&，只是一般没有必要。

空指针 nullptr

以往我们使用NULL表示空指针。它实际上是个为0的int值。下面的代码会产生岐义：

void f(int i) {} // chose this one
void f(const char* s) {}

f(NULL);

为此C++ 11新增类型nullptr_t，它只有一个值nullptr。上面的调用代码可以写成:

void f(int i) {}
void f(const char* s) {} // chose this one

f(nullptr);

强类型枚举 enum class

原来的enum有两个缺点：

容易命名冲突
类型不严格

如下代码：

enum Direction {
    Left, Right
};

enum Answer {
    Right, Wrong
};

此代码编译报错：Right重定义。这里使用了单个单词作为名称，很容易出现冲突。所以我们一般加个前缀，变成：

enum Direction {
    Direction_Left, Direction_Right
};

enum Answer {
    Answer_Right, Answer_Wrong
};

这样写很难看，而且如果这两个枚举是分别从两个第三方库引入的，那就无法自己改名字了。而且改成这样依然有个问题：

auto a = Direction_Left;
auto b = Answer_Right;

if (a == b)
    std::cout << "a == b" << std::endl;
else
    std::cout << "a != b" << std::endl;

这个代码将输出a == b，因为这两上值都为0。然而允许两个不同类型的值作比较，就是不合理的，容易隐藏一些bug。

C++ 11引入了enum class：

enum class Direction {
    Left, Right
};

enum class Answer {
    Right, Wrong
};

auto a = Direction::Left;
auto b = Answer::Right;

if (a == b)
    std::cout << "a == b" << std::endl;
else
    std::cout << "a != b" << std::endl;

引用时必须加上枚举名称(Direction_Left变成Direction::Left)，似乎写法上差不多，但是这样类型更加严格。下面的a == b编译将会报错，因为它们是不同的类型。
枚举值不再是全局的，而是限定在当前枚举类型的域内。所以使用单个单词作为值的名称也不会出现冲突。

静态断言 static assert

static_assert可在编译时作判断。

static_assert( size_of(int) == 4 );

构造函数的相互调用 delegating constructor

同一个class的多个构造函数的内部实现通常非常相似，比如：

class A {
public:
    A(int x, int y, const std::string& name) : x(x), y(y), name(name) {
        if (x < 0 || y < 0)
            throw std::runtime_error("invalid coordination");
        // other stuff
    }

    A(int x, int y) : x(x), y(y), name("A") {
        if (x < 0 || y < 0)
            throw std::runtime_error("invalid coordination");
        // other stuff
    }

    A() : x(0), y(0), name("A") {
        // other stuff
    }

private:
    int x;
    int y;
    std::string name;
};

为了避免重复代码，通常会把共同的代码挪到一个init成员函数里：

class A {
public:
    A(int x, int y, const std::string& name) {
        init(x, y, name);
    }

    A(int x, int y) {
        init(x, y, "A");
    }

    A() {
        init(0, 0, "A");
    }

private:
    void init(int x, int y, const std::string& name) {
        if (x < 0 || y < 0)
            throw std::runtime_error("invalid coordination");
        this->x = x;
        this->y = y;

        if (name.empty())
            throw std::runtime_error("empty name");
        this->name = name;

        // other stuff
    }

private:
    int x;
    int y;
    std::string name;
};

这样写有三个问题：

二次赋值。执行到init函数时，数据成员实际已经初始化了。比如name成员，此时已经初始化为一个空字符串了。这里实际上是又调用了一次“=”操作符。对于初始化成本比较高的类型，这样做就有可能影响性能了。
只能调用成员的无参构造函数。只有构造函数的初始化列表才能调用成员的带参数构造函数。
无法保证init只被调用一次。有些初始化步骤必须保证只被执行一次，这一点只有构造函数可以保证。

C++ 11允许构造函数之间相互调用了：

class A {
public:
    A(int x, int y, const std::string& name) : x(x), y(y), name(name) {
        if (x < 0 || y < 0)
            throw std::runtime_error("invalid coordination");
        if (name.empty())
            throw std::runtime_error("empty name");
        // other stuff
    }

    A(int x, int y) : A(x, y, "A")
    {}

    A() : A(0, 0)
    {}

private:
    int x;
    int y;
    std::string name;
};

除了优雅地解决了上述三个问题之外，代码也简洁了许多，连name成员的默认值"A"也只需要写一次。

禁止重写 final

禁止虚函数被重写

class A {
public:
    virtual void f1() final {}
};

class B : public A {
    virtual void f1() {}
};

此代码编译报错，提示不能重写f1。虽然f1是虚函数，但是因为有final关键字，保证它不会被重写。你可能会说，那不声明virtual不就完了。但是如果A本身也有基类，f1是继承下来的，那virtual就是隐含的了。

禁止类被继承

class A final {
};

class B : public A {
};

此代码编译报错，提示不能继承A。

显式声明重写 override

class A {
public:
    virtual void f1() const {}
};

class B : public A {
    virtual void f1() {}
};

上面的代码在重写函数f1时不小心漏了const，但是编译器不会报错。因为它不知道你是要重写f1，而认为你是定义了一个新的函数。这样的情况也发生在基类的函数签名变化时，子类如果没有全部统一改过来，编译器也不能发现问题。
C++ 11引入了override声明，使重写更安全。

class B : public A {
    virtual void f1() override {}
};

此时编译报错，提示找不到重写的函数。

定义成员初始值

当我们为一个class增加成员变量时，要注意在所有构造函数中都对它进行初始化（除非这个成员的默认构造函数就满足我们的要求）。虽然C++ 11允许构造函数相互调用，但至少该成员变量的声明和初始化是分开写的，导致后者经常被遗忘。现在C++ 11可以在声明成员变量的时直接赋初始值。

class A {
public:
    int m = 1;
};

这个初始化的动作会在所有构造函数之前执行，可以理解为这些初始值会被自动放到初始化列表。如果初始化列表也有个初始化，则选用初始化列表的值。

class A {
public:
    A() : m(2)
    {}

    int m = 1; // 这个1被忽略
};

那实际上m会不会是先被初始化为1，再被改为2呢（二次赋值）？我们用一个自定义的类作为成员变量：

class M {
public:
    M(int i) : i(i) {
        std::cout << "M(" << i << ")" << std::endl;
    }

    M(const M& other) : i(other.i) {
        std::cout << "copy M(" << i << ")" << std::endl;
    }

    M& operator = (const M& other) {
        i = other.i;
        std::cout << "= M(" << i << ")" << std::endl;
        return *this;
    }

private:
    int i;
};

class A {
public:
    A() : m(1)
    {}

private:
    M m = M(2);
};

A a;

我们为M实现了三件套（构造函数，复制构造函数，赋值操作符），并打印出信息，这样我们可以知道具体发生了什么。运行结果：

M(1)

说明下面的M(2)直接被忽略了。

默认构造函数 default

当一个class有自定义构造函数时，编译器就不会自动生成一个无参构造函数。现在可以通过default关键字强制要求生成这个构造函数。

class A {
public:
    A(int i) {}
    A() = default;
};

当然，你也可以直接写成

    A() {}

但用default意图更加明确，编译器也可以相应地做优化。

删除构造函数 delete

以往，当我们需要隐藏构造函数时，可以把它声明为private成员

class A {
private:
    A();
};

现在可以使用delete关键字

class A {
public:
    A() = delete;
};

常量表达式 constexpr

int size() { return 3; }
int a[size()];

上面的代码编译失败，因为静态数组的大小必须在编译期确定。改成：

constexpr int size() { return 3; }
int a[size()];

加上了constexpr，函数size变成在编译期计算，返回值被看成一个常量。

字符串字面量

const char* a = "string a";
const char* b = u8"string b";       // UTF-8
const char16_t* c = u"string c";    // UTF-16
const char32_t* d = U"string d";    // UTF-32
const char* e = R"(string e1 "\\
    stirng e2)";                    // raw string

std::cout << a << std::endl;
std::cout << b << std::endl;
std::cout << c << std::endl;
std::cout << d << std::endl;
std::cout << e << std::endl;

输出结果：

第1、2行没问题；第3、4行实际是打印出了内存地址，因为std::cout不支持这两种类型。
第5种比较有意思，它是忽略了转义符的字符串。从这个例子可以看到：

它的格式是R"(...)"，中间的...是内容。
内容可以出现"符号而不会截断字符串。
转义符\被当成一个字符
换行也被当成字符串的内容（如果要忽略换行符，则在换行前使用\连接符）。
缩进也被当成内容。

利用这个特性，这样的代码：

auto xml = "<root>\n"
    "\t<item value=\"1\">\n"
    "\t<item value=\"2\">\n"
    "</root>";

就可以直接写成：

auto xml = R"(<root>
    <item value="1">
    <item value="2">
</root>)";

不足之处就是会破坏代码的缩进，因为缩进也被看成是字符串的内容。

Lambda函数

这是个非常强大的重量级功能。简单地讲，就是可以用它定义一个临时的函数对象，它像其它对象一样可以传递和保存。更为强大的是，它甚至可以访问当前函数的上下文。

特性

调用

auto add = [](int a, int b) { return a + b; };
std::cout << add(1, 2) << std::endl;

=后面的部分就是Lambda函数。先忽略前面的[]。()里面的是参数列表，{}里面的是实现。跟普通的函数基本一样。
这里没有声明返回值类型，编译器会根据return语句推导。如果有多个return语句，而且类型不一样，则会报错。
使用方式与普通函数一样。

传递

template<typename filter_func>
void print(const std::vector<int>& v, filter_func filter) {
    for (auto i : v) {
        if (filter(i))
            std::cout << i << std::endl;
    }
}

bool isGreaterThanTen(int i) {
    return i > 10;
}

class GreaterThanTenFilter {
public:
    bool operator()(int i) {
        return i > 10;
    }
};

std::vector<int> v = { 5, 10, 15, 20 };
print(v, isGreaterThanTen);         // 输出 15 20
print(v, GreaterThanTenFilter());   // 输出 15 20

以上代码分别使用了函数指针和函数对象来指定过滤条件。这两种方式存在以下缺点：

代码冗余。需要单独定义一个函数或class才能实现。
filter_func的类型不明确。此处filter_func是一个参数为一个int，返回值为bool型的函数。但是这一点无法从函数声明看出来。并且函数对象使用()操作符语义也不明确。
print函数必须使用模板。虽然print内部并没有使用泛型的必要，但是考虑到兼容函数指针和函数对象的用法，也只能使用模板实现。
不灵活。如果这个10是一个运行时才确定的数字n，就需要修改函数对象才能实现。（函数指针无法实现）

使用Lambda：

#include <functional>

void print(const std::vector<int>& data, std::function<bool(int)> filter) {
    for (auto i : data) {
        if (filter(i))
            std::cout << i << std::endl;
    }
 }

std::vector<int> v = { 5, 10, 15, 20 };
print(v, [](int i) { return i > 10; });     // 输出 15 20

解决了上面提到的几个问题：

代码简洁。无需另外定义函数或class即可实现。整体代码缩小了不少。
类型明确。新增的std::function是一个通用的函数对象，可以使用Lambda初始化。最大的优点是参数和返回值都是明确的，可以从声明看出来。
无须使用模板。
更灵活。这一点接下来讲。

可以访问当前函数的上下文
上面的例子如果把硬编码的10改成变量n，只需要改调用的地方：

int n = 10;
print(v, [=](int i) { return i > n; });

可以看到前面的[]改成了[=]，这表示Lambda使用值传递的方式捕获外部变量。
[]表示捕获列表，用来描述Lambda访问外部变量的方式。如下：

捕获列表	作用
`[a]`	`a`为值传递
`[a, &b]`	`a`为值传递，`b`为引用传递
`[&]`	所有变量都用引用传递。当前对象（即`this`指针）也用引用传递。
`[=]`	所有变量都用值传递。当前对象用引用传递。

注意事项

捕获时机

int i = 1;
auto f = [=]() { std::cout << i << std::endl; };
i = 2;
f(); // 输出 1

可以看出，在定义Lambda的地方就已经捕获到i的值。后面修改i也不影响f的输出。
如果把[=]改成[&]，则会输出2。因为Lambda实际上只捕获到i的引用。

局部变量的生命周期

std::function<void()> GetLambda() {
    int i = 1;
    return [&]() { std::cout << i << std::endl; };
}

auto f = GetLambda();
f(); // 输出 -858993460 之类的乱码

使用引用的方式访问局部变量时，要注意Lambda的生命周期不能超过该局部变量的生命周期。

内部实现

(待续……)

参考资料：
Learn C++ 11 in 20 Minutes - Part I
Learn C++ 11 in 20 Minutes - Part II
Support For C++11/14/17 Features (Modern C++)
Lambda 表达式