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《C++ Primer Plus》第18章：探讨 C++ 新标准（1）

news 2025/12/15 19:18:45

本章首先复习前面介绍过的C++11功能，然后介绍如下主题：

移动语义和右值引用。
Lambda 表达式。
包装器模板 function。
可变参数模板。

本章重点介绍 C++11 对 C++ 所做的改进。本书前面介绍过多项 C++11 功能，本章首先复习这些功能，并详细介绍其他一些功能。然后，指出一些超出了本书范围的 C++11 新增功能（考虑到 C++11 草案的篇幅比 C++98 长 98%，本书无法全面介绍）。最后，将简要地探讨 BOOST 库。

复习前面介绍过的 C++11 功能

本书前面介绍过很多 C++11 改进，但您现在可能忘了，本节简要地复习这些改进。

文章目录

复习前面介绍过的 C++11 功能
- 新类型
- 统一的初始化
- 声明
- 智能指针
- 异常规范方面的修改
- 作用域内枚举
- 对类的修改
- 模板和 STL 方面的修改
- 右值引用

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。第3章讨论了这些新增的类型。

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：

int x = {5};
double y {2.75};
short quar[5] {4, 5, 2, 76, 1};

另外，列表初始化语法也可用于 new 表达式中：

int * ar = new int [4] {2, 4, 6, 7};		// C++11

创建对象时，也可使用大括号（而不是园括号）括起的列表来调用构造函数：

class Stump {
private:int roots;double weight;
public:Stump(int r, double w) : roots(r), weight(w) {}
};
Stump s1(3,15.6);		// old style
Stump s2{5, 43.4};		// C++11
Stump s3 = { 4, 32.1};	// C++ 11

然而，如果类有将模板 std::initializer_list 作为参数的构造函数，则只有该构造函数可以使用列表初始化形式。

缩窄
初始化列表语法可防止缩窄，即禁止将数值赋给无法存储它的数值变量。

常规初始化允许程序执行可能没有意义的操作：
```
char c1 = 1.57e27;		// double-to-char, undefined behavior
char c2 = 459585821;	// int-to-char, out of range, compile-time error
```
然而，如果使用初始化列表语法，编译器将禁止进行这样的类型转换，即将值存储到比它“窄”的变量中：
```
char c1 {1.57e27};		// double-to-char, compile-time error
char c2 = {459585821};	// int-to-char, out of range, compile-time error
```
但允许转换为更宽的类型。

另外，只要值在较窄类型的取值范围内，将其转换为较窄的类型也是允许的：
```
char c1 {66};		// int-to-char, in range, allowed
double c2 = {66};	// int-to-double, allowed
```
initializer_list

C++11 提供了模板类 initializer_list，可将其用作构造函数的参数，这在第16章讨论过。如果类有接受 initializer_list 作为参数，则初始化列表就只能用于该构造函数。列表中的元素必须是同一种类型或可转换为同一种类型。STL 容器提供了将 initializer_list 作为参数的构造函数：
```
vector<int> a1(10);		// uninitialized vector with 10 elements
vector<int> a2{10};		// initializer-list, a2 has 1 element set to 10
vector<int> a3{4,6,1};	// 3 elements set to 4,6,1
```
头文件 initializer_list 提供了对模板类 initializer_list 的支持。这个类包含成员函数 begin() 和 end()，可用于获悉列表的范围。除用于构造函数外，还可将 initializer_list 用作常规函数的参数：
```
#include<initializer_list>
double sum(std::initializer_list<double> il);
int main() {double total = sum({2.5,3.1,4});	// 4 converted to 4.0...
}double sum(std::initializer_list<double> il) {double tot = 0;for (auto p = il.begin(); p!=il.end(); p++){tot += *p;}return tot;
}
```

声明

C++11 提供了多种简化声明的功能，尤其在使用模板时。

auto
以前，关键字 auto 是一个存储类型说明符，C++11 将其用于实现自动类型推断。这要求进行显式初始化，让编译器能够将变量的类型设置为初始值的类型：
```
auto maton = 112;		// maton is type int
auto pt = &maton;		// pt is type int *
double fm(double, int);
auto pf = fm;			// pf is type double(*) (double, int)
```
关键字 auto 还可以简化模板声明。例如，如果 il 是一个 std::initializer_list<double>对象，则可将下述代码：
```
for(std::intializer_list<double>::iterator p = il.begin(); p != il.end(); p++ )
```
替换为如下代码：
```
for (auto p = il.begin(); p != il.end(); p++ )
```
decltype

关键字 decltype 将变量的类型声明为表达式指定的类型。下面的语句含义是，让 y 的类型与 x 相同，其中 x 是一个表达式：
```
decltype(x) y;
```
下面是几个示例：
```
double x;
int n;
decltype(x*n) q;	// q same type as x*n, i.e., double
decltype(&x) pd;	// pd same as &x, i.e., double *
```
这在定义模板时特别有用，因为只有等到模板被实例化时才能确定类型：
```
template<typename T, typename U>
void ef(T t, U u) {decltype(T*U) tu;...
}
```
其中 tu 将为表达式 T*U 的类型，这里假定定义了运算 T*U。例如，如果 T 为 char，U 为 short，则 tu 将为 int，这是由整型算术自动执行整型提升导致的。

decltype 的工作原理比auto 复杂，根据使用的表达式，指定的类型可以为引用和 const。下面是几个示例：
```
int j = 3;
int &k = j;
const int &n = j;
decltype(n) i1;			// i1 type const int &
decltype(j) i2;			// i2 type int
decltype((j)) i3;		// i3 type int &
decltype(k + 1) i4;		// i4 type int
```
有关导致上述结果的规则的详细信息，请参阅第8章。
返回类型后置

C++11 新增了一种函数声明语法：在函数名和参数列表后面（而不是前面）指定返回类型：
```
double f1(double, int);		// traditional syntax
auto f2(double, int) -> double;	// new syntax, return type is double
```
就常规函数的可读性而言，这种新语法好像是倒退，但让您能够使用 decltype 来指定模板函数的返回类型：
```
template<typename T, typename U>
auto eff(T t, U u) -> decltype(T*U) {
...
}
```
这里解决的问题是，在编译器遇到 eff 的参数列表前，T 和 U 还不在作用域内，因此必须在参数列表后使用 decltype。这种新语法使得能够这样做。
模板别名： using =
对于冗长或复杂的标识符，如果能够创建其别名将很方便。以前，C++ 为此提供了 typedef：
```
typedef std::vector<std::string>::iterator itType;
```
C++ 提供了另一种创建别名的语法，这在第14章讨论过：
```
using itType = std::vector<std::string>::iterator;
```
差别在于，新语法也可用于模板部分具体化，但 typedef不能：
```
template<typename T>
using arr12 = std::array<T, 12>;		// template for multiple aliases
```
上述语句具体化模板 array<T, int> (将参数 int 设置为 12)。例如，对于下述声明：
```
std::array<double, 12> a1;
std::array<std::string, 12> a1;
```
可将它们替换为如下声明：
```
arr12<double> a1;
arr12<std::string> a2;
```
nullptr

空指针是不会指向有效数据的指针。以前，C++ 在源代码中使用 0 表示这种指针，但内部表示可能不同。这带来了一些问题，因为这使得 0 既可以表示指针常量，又可表示整型常量。正如第 12 章讨论的，C++11 新增了关键字 nullptr，用于表示空指针；它是指针类型，不能转换为整数类型。为向后兼容，C++11 仍允许使用 0 来表示空指针，因此表达式 nullptr == 0 为 true，但使用 nullptr 而不是 0 提供了更高的类型安全。例如，可将 0 传递给接受 int 参数的函数，但如果您试图将 nullptr 传递给这样的函数，编译器将此视为错误。因此，处于清晰和安全考虑，请使用 nullptr——如果您的编译器支持它。

智能指针

如果在程序中使用 new 从堆（自由存储区）分配内存，等到不再需要时，应使用 delete 将其释放。C++ 引入了智能指针 auto_ptr，以帮助自动完成这个过程。随后的编程体验（尤其是使用 STL时）表明，需要有更精致的机制。基于程序员的编程体验和 BOOST 库提供的解决方案，C++11 摒弃了 auto_ptr，并新增了三种智能指针：unique_ptr、shared_ptr 和 weak_ptr，第 16 章讨论了前两种。

所有新增的智能指针都能与 STL 容器和移动语义协同工作。

异常规范方面的修改

以前，C++ 提供了一种语法，可用于指出函数可能引发哪些异常（参见第15章）：

void f501(int) throw(bad_dog);		// can throw type bad_dog exception
void f733(long long) throw();		// doesn't throw an exception

与 auto_ptr 一样， C++ 编程社区的集体经验表明，异常规范的效果没有预期的好。因此，C++11 摒弃了异常规范。然而，标准委员会认为，指出函数不会引发异常有一定的价值，他们为此添加了关键字 noexcept:

void f875(short, short) noexcept;		// doesn't throw an exception

作用域内枚举

传统的 C++ 枚举提供了一种创建名称常量的方式，但其类型检查相当低级。另外，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。最后，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，C++新增了一种枚举。这种枚举使用 class 或 struct 定义：

enum Old1 {yes, not, maybe};		// traditional form
enum class New1 { never, sometime, often, always };	// new form
enum struct New2 { never, lever, sever };		// new form

新枚举要求进行显式限定，以免发生名称冲突。因此，引用特定枚举时，需要使用 New1::never 和 New2::never 等。更详细的信息请参阅第10章。

对类的修改

为简化和扩展类设计，C++11 作了多项改进。这包括允许构造函数被继承和彼此调用、更佳的方法访问控制方式以及移动构造函数和移动赋值运算符，这些都将在本章介绍。下面先来复习本书前面介绍过的改进。

显式转换运算符

有趣的是，C++ 很早就支持对象自动转换。但随着编程经验的积累，程序员逐渐认识到，自动类型转换可能导致意外转换的问题。为解决这种问题，C++ 引入了关键字 explicit，以禁止单参数构造函数导致的自动转换：

class Plebe {Plebe(int);			// automatic int-to-plebe conversionexplicit Plebe(double);		// requires explicit use...
};
Plebe a, b;
a = 5;		// implicit concersion, call Plebe(5)
b = 0.5;	// not allowed
b = Plebe(0.5);	// explicit conversion

C++11 扩展了 explicit 的这种用法，使得可对转换函数做类似的处理（参见第11章）：

class Plebe{
...
// conversion functionsoperator int() const;explicit operator double() const;...
};
Plebe a, b;
int n = a;		// int-to-Plebe automatic conversion
double x = b;		// not allowed
x = double(b);		// explicit conversion, allowed

类内成员初始化
很多首次使用 C++ 的用户都会问，为何不能在类定义中初始化成员？现在可以这样做了，其语法类似于下面这样：
```
class Session {int mem1 = 10;		// in-class initializationdouble mem2 {1966.54};		// in-class initializationshort mem3;
public:Session(){}				// #1Session(short s) : mem3(s) {}			// #2Session(int n, double d, short s) : mem1(n), mem2(d), mem3(s) {} // #3...
};
```
可使用等号或大括号版本的初始化，但不能使用圆括号版本的初始化。其结果与给前两个构造函数提供成员初始化列表，并指定 mem1 和 mem2 的值相同：
```
Session() : mem1(10), mem2(1966.54) {}
Session(short s) : mem1(10), mem2(1966.54), mem3(s) {}
```
通过使用类内初始化，可避免在构造函数中编写重复的代码，从而降低了程序员的工作量、厌倦情绪和出错的机会。

如果构造函数在成员初始化列表中提供了相应的值，这些默认值将被覆盖，因此第三个构造函数覆盖了类内成员初始化。

模板和 STL 方面的修改

为改善模板和标准模板库的可用性，C++11 做了多个改进；有些是库本身，有些与易用性相关。本章前面提高了模板别名和适用于 STL 的智能指针。

基于范围的 for 循环

对于内置数组以及包含方法 begin() 和 end() 的类（如 std::string) 和 STL 容器，基于范围的 for 循环（第5章和第16章讨论过）可简化为它们编写循环的工作。这种循环对数组或容器中的每个元素执行指定的操作：
```
double prices[5] = { 4.99, 10.99, 6.87, 7.99, 8.49 };
for (double x : prices) {std::cout << x << std::endl;
}
```
其中，x 将依次为 prices 中每个元素的值。x 的类型应与数组元素的类型匹配。一种更容易、更安全的方式是，使用 auto 来声明 x，这样编译器将根据 prices 声明中的信息来推断 x 的类型：
```
double prices[5] = { 4.99, 10.99, 6.87, 7.99, 8.49 };
for (auto x : prices) {std::cout << x << std::endl;
}
```
如果要在循环中修改数组或容器的每个元素，可使用引用类型：
```
std::vector<int> vi(6);
for (auto & x : vi)		// use a reference if loop alters contentsx = std::rand();
```
新的 STL 容器

C++11 新增了 STL 容器 foward_list、unordered_map、unordered_multimap、unordered_set 和 unordered_multiset（参见第16章）。容器 forward_list 是一种单向链表，只能沿一个方向遍历；与双向链接的 list 容器相比，它更简单，在占用存储空间方面更经济。其他四种容器都是使用哈希表实现的。

C++11 还新增了模板 array（这在第4和第16章讨论过）。要实例化这种模板，可指定元素类型和固定的元素数：
```
std::array<int, 360> ar;		// array of 360 ints
```
这个模板类没有满足所有的常规模板需求。例如，由于长度固定，您不能使用任何修改容器大小的方法，如 put_back()。但 array 确实有方法 begin() 和 end()，这让您能够对 array 对象使用众多基于范围的 STL 算法。
新的STL方法

C++11新增了 STL 方法 cbegin() 和 cend()。与 begin() 和 end() 一样，这些新方法也返回一个迭代器，指向容器的第一个元素和最后一个元素的后面，因此可用于指定包含全部元素的区间。另外，这些新方法将元素视为 const。与此类似，crbegin() 和 crend() 是 rbegin() 和 rend() 的 const 版本。

更重要的是，除传统的复制构造函数和常规赋值运算符外，STL 容器现在还有移动构造函数和移动赋值运算符。移动语义将在本章后面介绍。
valarray 升级

模板 valarray 是独立于 STL 开发的，其最初的设计导致无法将基于范围的 STL 算法用于 valarray 对象。C++11 添加了两个函数（begin() 和 end() ），它们都接受 valarray 作为参数，并返回迭代器，这些迭代器分别指向 valarray 对象的第一个元素和最后一个元素后面。这让您能够将基于范围的 STL 算法用于 valarray。
摒弃 export

C++98 新增了关键字 export，旨在提供一种途径，让程序员能够将模板定义放在接口和实现文件中，其中前者包含原型和模板声明，而后者包含模板函数和方法的定义。实践证明这不现实，因此 C++11 终止了这种用法，但仍保留了关键字 export，供以后使用。
尖括号

为避免与运算符 >> 混淆，C++ 要求在声明嵌套模板时使用空格将尖括号分开：
```
std::vector<std::list<int> > v1;		// >> not ok
```
C++ 11不再这样要求：
```
std::vector<std::list<int>> v1;	// >> ok in C++11
```

右值引用

传统的 C++ 引用（现在称为左值引用）使得标识符关联到左值。左值是一个表示数据的表达式（如变量名或解除引用的指针），程序可获取其地址。最初，左值可出现在赋值语句的左边，但修饰符 const 的出现使得可以声明这样的标识符，即不能给它赋值，但可获取其地址：

int n;
int * pt = new int;
const int b = 101;		// can't assign to b, but &b is valid
int & rn = n;		// n identifies datum at address &n
int & rt = *pt;		// *pt identifies datum at address pt
const int & rb = b;	// b idendifies const datum at address &b

C++11 新增了右值引用（这在第8章讨论过），这是使用&&表示的。右值引用可关联到右值，即可出现在赋值表达式右边，但不能对其应用地址运算符的值。右值包括字面常量（C-风格字符串除外，它表示地址）、诸如 x+y 等表达式以及返回值的函数（条件是该函数返回的不是引用）：

int x = 10;
int y = 20;
int && r1 = 13;
int && r2 = x + y;
double && r3 = std::sqrt(2.0);

注意：r2 关联到的是当时计算 x + y 得到的结果。也就是说，r2 关联到的是 23，即使以后修改了 x 或 y，也不会影响到 r2。

有趣的是，将右值关联到右值引用导致该右值被存储到特定的位置，且可以获取该位置的地址。也就是说，虽然不能将运算符 & 用于 13，但可将其用于 r1。通过将数据与特定的地址关联，使得可以通过右值引用来访问该数据。

下面的程序是一个简短的示例，演示了上述有关右值引用的要点。

// rvref.cpp -- simple uses of rvalue references
#include<iostream>inline double f(double tf) {return 5.0 * (tf-32.0)/9.0;
}int main(){using namespace std;double tc = 21.5;double && rd1 = 7.07;double && rd2 = 1.8 * tc + 32.0;double && rd3 = f(rd2);cout << " tc value and address: " << tc << ", " << &tc << endl;cout << "rd1 value and address: " << rd1 << ", " << &rd1 << endl;cout << "rd2 value and address: " << rd2 << ", " << &rd2 << endl;cout << "rd3 value and address: " << rd3 << ", " << &rd3 << endl;cin.get();return 0;
}

该程序的输出如下：

 tc value and address: 21.5, 0x7ffdd471ca40
rd1 value and address: 7.07, 0x7ffdd471ca30
rd2 value and address: 70.7, 0x7ffdd471ca20
rd3 value and address: 21.5, 0x7ffdd471ca10

引入右值引用的主要目的之一是实现移动语义，这是本章将讨论的下一个主题。