C++11新特性学习总结

HoXio

已于 2025-03-30 11:07:37 修改

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文章标签： c++ 学习开发语言

于 2025-03-27 20:43:17 首次发布

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C++11新特性

一、智能指针

智能指针是C++11引入的核心内存管理工具，通过封装原始指针并自动管理资源生命周期，有效避免内存泄漏、悬空指针等问题。以下是其核心特性及分类详解：

一、核心特性

自动资源管理（RAII机制） 智能指针基于**资源获取即初始化（RAII）**原则，将资源绑定到对象生命周期。对象析构时自动释放资源（如调用delete），确保异常安全性和资源确定性回收
所有权语义
- 独占所有权（unique_ptr）：同一时间仅允许一个指针持有资源，禁止拷贝但支持移动语义（std::move），性能接近裸指针
- 共享所有权（shared_ptr）：通过引用计数管理资源，允许多个指针共享同一对象，计数归零时释放资源
- 弱引用（weak_ptr）：不增加引用计数，用于解决shared_ptr循环引用问题，需通过lock()获取临时强引用访问资源
线程安全性
- shared_ptr的引用计数增减是原子操作，但资源所有权的修改需额外加锁保证线程安全
- unique_ptr因独占性无线程同步开销，适用于高性能场景
自定义删除器 支持自定义资源释放逻辑（如文件句柄、网络连接），通过模板参数或构造函数传入，适用于非new分配的资源
性能优化
- std::make_shared和std::make_unique通过单次内存分配提升效率（对象与控制块合并），减少内存碎片
- 避免手动new/delete，降低代码错误风险

二、主要智能指针类型及对比

类型	所有权	拷贝/移动	性能	适用场景
`unique_ptr`	独占	仅移动	最优（无额外开销）	单一所有者、局部资源管理、工厂模式
`shared_ptr`	共享	可拷贝/移动	较高（含引用计数）	多线程共享资源、对象池、复杂依赖关系
`weak_ptr`	无	需转换	低（观察者模式）	打破循环引用、缓存、延迟加载

三、使用场景与最佳实践

unique_ptr优先原则 默认使用unique_ptr，仅当需要共享时转为shared_ptr，避免不必要的引用计数开销
循环引用解决方案 父子对象互相持有shared_ptr时，将其中一个改为weak_ptr（如子节点持有父节点的弱引用）
工厂模式与多态 unique_ptr适合返回基类指针的工厂函数，通过移动语义传递所有权，避免拷贝
异常安全 智能指针在构造函数抛出异常时仍能正确释放已分配资源，确保资源泄漏风险最小化
避免混合原生指针 禁止将原生指针赋值给多个智能指针，防止重复释放；使用get()获取原生指针时需确保智能指针生命周期覆盖使用范围

四、典型问题与解决方案

循环引用导致内存泄漏

class Parent {
    shared_ptr<Child> child;
};
class Child {
    weak_ptr<Parent> parent;  // 将shared_ptr改为weak_ptr
};

多线程下的shared_ptr安全

shared_ptr<Data> global_ptr;
mutex mtx;
void thread_func() {
    shared_ptr<Data> local_ptr;
    {
        lock_guard<mutex> lock(mtx);
        local_ptr = global_ptr;  // 加锁确保原子性
    }
    // 使用local_ptr
}

自定义删除器（如管理文件）

unique_ptr<FILE, decltype(&fclose)> file_ptr(fopen("test.txt", "r"), fclose);

五、总结

智能指针通过自动化资源管理显著提升代码健壮性，其核心在于所有权模型与RAII机制的深度结合。开发者应根据场景选择合适类型，遵循“高内聚、低耦合”原则，合理设计对象生命周期，避免过度依赖shared_ptr导致性能损耗

二、右值引用

右值引用是C++11引入的核心特性之一，旨在解决传统C++中资源管理低效的问题，其核心思想是通过“移动”而非“拷贝”资源来提升性能。以下是右值引用的关键特性及实现机制：

一、右值引用的核心概念

左值与右值
- 左值（Lvalue）：拥有持久状态的对象，可寻址且能出现在赋值左侧（如变量、数组元素）
- 右值（Rvalue）：临时对象或表达式结果，生命周期短暂且无法直接寻址（如字面量、函数返回的临时对象）
- 将亡值（Xvalue）：即将被移动的对象（如std::move后的左值）
右值引用的定义
- 右值引用使用&&声明，仅能绑定到右值（如int&& r = 42;）
- 通过std::move()可将左值强制转换为右值，触发移动语义

二、右值引用的核心特性

移动语义（Move Semantics）
- 资源窃取：移动构造函数（如MyString(MyString&& other)）直接“窃取”右值的资源（如堆内存指针），避免深拷贝
- 性能优化：适用于大型对象（如容器、字符串），减少内存分配和复制开销。例如，std::vector插入元素时通过移动临时对象提升效率
- 实现条件：类需定义移动构造函数和移动赋值运算符，并标记为noexcept保证异常安全
完美转发（Perfect Forwarding）
- 转发引用（Universal Reference）：模板参数T&&可绑定到左值或右值，通过引用折叠规则保持值类别（如void func(T&& t)）
- std::forward的作用：在转发时保留参数的原始值类别（左值或右值），避免额外拷贝
- 示例：
```
template<typename T>
void Wrapper(T&& arg) {
    TargetFunc(std::forward<T>(arg));  // 原样转发arg的值类别
}
```
生命周期管理
- 右值引用可延长临时对象的生命周期，使其存活至右值引用作用域结束
- 注意：std::move()后的左值可能变为“无效状态”（如指针置空），需谨慎使用

三、右值引用的应用场景

容器与字符串操作
- STL容器优化：std::vector、std::string等支持移动构造和赋值，避免插入或扩容时的深拷贝
- 函数返回值优化（NRVO/RVO）：返回临时对象时优先调用移动构造而非拷贝构造
智能指针
- std::unique_ptr和std::shared_ptr通过右值引用安全转移资源所有权，避免手动管理内存
高效资源管理（RAII）
- 结合移动语义实现资源自动释放（如文件句柄、网络连接）
模板与泛型编程
- 完美转发用于泛型函数（如emplace_back），支持任意参数类型的高效传递

四、右值引用与左值引用的对比

维度	左值引用	右值引用
绑定对象	左值（变量、持久对象）	右值（临时对象、将亡值）
用途	避免拷贝、传递大型对象	移动资源、优化性能
生命周期影响	不延长对象生命周期	延长临时对象生命周期
函数重载	重载处理左值参数	重载处理右值参数（如移动构造）

五、注意事项与最佳实践

避免滥用std::move：仅在确定资源不再使用时转移，防止悬空指针
兼容旧代码：若类未定义移动操作，编译器可能回退至拷贝语义
移动不一定更快：某些场景（如SSO优化的短字符串）移动与拷贝性能相近
结合const引用：const T&可接受左右值，但无法修改

总结

右值引用通过移动语义和完美转发，显著提升了C++程序的资源管理效率，尤其在处理动态内存、容器和模板时优势明显。合理使用右值引用需结合具体场景，权衡性能与安全性，是现代C++高效编程的核心工具之一。

三、移动语义

C++11引入的移动语义（Move Semantics）是面向对象编程的重要改进，通过资源所有权转移而非拷贝，显著提升程序性能。以下是其核心特性及实现机制：

一、核心思想：避免冗余拷贝，高效转移资源

传统拷贝的缺陷 在拷贝构造函数中，若对象包含动态资源（如指针、大型数组），深拷贝需要重新分配内存并复制数据，导致性能损耗。例如，std::vector插入临时对象时，传统拷贝会重复分配内存
移动语义的本质 移动语义允许将资源从一个对象“窃取”到另一个对象，源对象资源被转移后进入“空状态”（如指针置空），避免深拷贝。例如：
```
MyClass(MyClass&& other) noexcept : data(other.data) { 
    other.data = nullptr; // 接管资源，原对象置空
}
```
移动构造的时间复杂度为常数级，适用于动态内存、容器等场景

二、实现机制：右值引用与移动操作

右值引用（Rvalue Reference）
- 使用&&声明，仅能绑定到右值（临时对象或std::move后的左值）
- 通过std::move将左值强制转为右值引用，触发移动语义
```
MyClass tmp;
MyClass obj = std::move(tmp); // 触发移动构造函数
```
移动构造函数与移动赋值运算符
- 移动构造函数参数为右值引用，直接接管源对象资源：
```
Resource(Resource&& other) noexcept : ptr(other.ptr) { 
    other.ptr = nullptr; 
}
```
- 移动赋值运算符需检查自赋值，并释放当前对象资源后接管新资源
noexcept关键字 移动操作应标记为noexcept，确保容器（如std::vector扩容）优先使用移动而非拷贝，避免异常安全问题

三、应用场景

容器操作
- 向std::vector插入临时对象时，移动语义减少内存分配和拷贝次数。例如：
```
vec.push_back(MyClass("data")); // 临时对象触发移动构造
```
- 容器内部扩容时，元素类型若支持移动语义，性能显著提升
资源管理类
- 智能指针（如std::unique_ptr）、文件句柄等通过移动转移资源所有权，避免手动管理内存
函数返回值优化（RVO/NRVO） 编译器优化临时对象返回时，移动语义进一步减少拷贝。例如：
```
std::vector<int> createVector() { 
    return std::vector<int>(1000); // 可能直接移动而非拷贝
}
```
但无需显式使用std::move，编译器自动优化

四、注意事项

正确使用std::move
- 仅对不再使用的左值调用std::move，否则可能导致悬空指针：
```
MyClass a;
MyClass b = std::move(a); // a资源被转移，后续不可再访问
```
移动后的对象状态 被移动的对象处于“有效但未定义”状态，需重新初始化后才能使用
编译器自动生成规则
- 若未定义拷贝构造函数/赋值运算符，编译器自动生成移动版本。
- 若定义了拷贝操作，编译器不会生成移动操作，需手动实现
与const的冲突 const对象无法触发移动语义，因为其资源不可被修改

五、性能对比与适用场景

场景	拷贝语义	移动语义
动态内存分配对象	深拷贝，耗时（O(n)）	指针转移，O(1)
容器（如vector）	多次内存分配与拷贝	仅指针交换，效率显著提升
节点式容器（如list）	影响较小（节点独立分配）	优化有限