C++11

1.C++11简介

在2003年C++标准委员会曾经提交了一份技术勘误表(简称TC1),使得C++03这个名字已经取代了C++98称为C++11之前的最新C++标准名称。不过由于C++03(TC1)主要是对C++98标准中的漏洞进行修复,语言的核心部分则没有改动,因此人们习惯性的把两个标准合并称为C++98/03标准。

从C++0x到C++11,C++标准10年磨一剑,第二个真正意义上的标准珊珊来迟。相比于C++98/03,C++11则带来了数量可观的变化,其中包含了约140个新特性,以及对C++03标准中约600个缺陷的修正,这使得C++11更像是从C++98/03中孕育出的一种新语言。

相比较而言,C++11能更好地用于系统开发和库开发、语法更加泛化和简单化以及更加稳定和安全,不仅功能更强大,而且能提升程序员的开发效率,公司实际项目开发中也用得比较多,所以需要作为一个重点去学习。C++11增加的语法特性非常篇幅非常多,所以这部分的博客将会是一个持续更新的过程。

https://en.cppreference.com/w/cpp/11

  • 小故事:1998年是C++标准委员会成立的第一年,本来计划以后每5年视实际需要更新一次标准,C++国际标准委员会在研究C++03的下一个版本的时候,一开始计划是2007年发布,所以最初这个标准叫C++ 07。但是到06年的时候,官方觉得2007年肯定完不成C++07,而且官方觉得2008年可能也完不成。最后干脆叫C++0x。x的意思是不知道到底能在07还是08还是09年完成。结果2010年的时候也没完成,最后在2011年终于完成了C++标准。所以最终定名为C++11。

2.统一的列表初始化

2.1 {} 初始化

在C++98中,标准允许使用花括号{}对数组或者结构体元素进行统一的列表初始值设定。比如:

struct Point
{
	int _x;
	int _y;
};

int main()
{
	int array1[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
	int array2[5] = { 0 };
	Point p = { 1, 2 };
	return 0;
}

C++11扩大了用大括号括起的列表(初始化列表)的使用范围,使其可用于所有的内置类型和用户自定义的类型,使用初始化列表时,可添加等号(=),也可不添加。

struct Point
{
	int _x;
	int _y;
};

int main()
{
	int x1 = 1;
	int x2{ 2 };
	
	int array1[]{ 1, 2, 3, 4, 5 };
	int array2[5]{ 0 };
	Point p{ 1, 2 };
	
	// C++11中列表初始化也可以适用于new表达式中
	int* pa = new int[4] { 0 };
	
	return 0;
}

创建对象时也可以使用列表初始化方式调用构造函数初始化

class Date
{
public:
	Date(int year, int month, int day)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
		cout << "Date(int year, int month, int day)" << endl;
	}
private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	Date d1(2022, 1, 1); // old style
	// C++11支持的列表初始化,这里会调用构造函数初始化
	Date d2{ 2022, 1, 2 };
	Date d3 = { 2022, 1, 3 };
	return 0;
}

2.2 std::initializer_list

std::initializer_list的介绍文档:
https://cplusplus.com/reference/initializer_list/initializer_list/
std::initializer_list是什么类型:

int main()
{
	// the type of il is an initializer_list
	auto il = { 10, 20, 30 };
	cout << typeid(il).name() << endl;
	return 0;
}

std::initializer_list使用场景:
std::initializer_list一般是作为构造函数的参数,C++11对STL中的不少容器就增加std::initializer_list作为参数的构造函数,这样初始化容器对象就更方便了。也可以作为operator=的参数,这样就可以用大括号赋值。
https://cplusplus.com/reference/list/list/list/
https://cplusplus.com/reference/vector/vector/vector/
https://cplusplus.com/reference/map/map/map/
https://cplusplus.com/reference/vector/vector/operator=/

int main()
{
	vector<int> v = { 1,2,3,4 };
	list<int> lt = { 1,2 };
	// 这里{"sort", "排序"}会先初始化构造一个pair对象
	map<string, string> dict = { {"sort", "排序"}, {"insert", "插入"} };
	// 使用大括号对容器赋值
	v = { 10, 20, 30 };
	return 0;
}

让模拟实现的vector也支持{}初始化和赋值

namespace quantian
{
	template<class T>
	class vector {
	public:
		typedef T* iterator;
		vector(initializer_list<T> l)
		{
			_start = new T[l.size()];
			_finish = _start + l.size();
			_endofstorage = _start + l.size();
			iterator vit = _start;
			typename initializer_list<T>::iterator lit = l.begin();
			while (lit != l.end())
			{
				*vit++ = *lit++;
			}
			//for (auto e : l)
			// *vit++ = e;
		}
		vector<T>& operator=(initializer_list<T> l) {
			vector<T> tmp(l);
			std::swap(_start, tmp._start);
			std::swap(_finish, tmp._finish);
			std::swap(_endofstorage, tmp._endofstorage);
			return *this;
		}
	private:
		iterator _start;
		iterator _finish;
		iterator _endofstorage;
	};
}

3.变量类型推导(声明)

c++11提供了多种简化声明的方式,尤其是在使用模板时。

3.1 auto

在C++98中auto是一个存储类型的说明符,表明变量是局部自动存储类型,但是局部域中定义局部的变量默认就是自动存储类型,所以auto就没什么价值了。C++11中废弃auto原来的用法,将其用于实现自动类型腿断。这样要求必须进行显示初始化,让编译器将定义对象的类型设置为初始化值的类型。

int main()
{
	int i = 10;
	auto p = &i;
	auto pf = strcpy;

	cout << typeid(p).name() << endl;
	cout << typeid(pf).name() << endl;

	map<string, string> dict = { {"sort", "排序"}, {"insert", "插入"} };
	//map<string, string>::iterator it = dict.begin();
	auto it = dict.begin();
	return 0;
}

3.2 decltype

关键字decltype将变量的类型声明为表达式指定的类型。

// decltype的一些使用使用场景
template<class T1, class T2>
void F(T1 t1, T2 t2)
{
	decltype(t1 * t2) ret;
	cout << typeid(ret).name() << endl;
}

int main()
{
	const int x = 1;
	double y = 2.2;
	decltype(x * y) ret; // ret的类型是double
	decltype(&x) p; // p的类型是int*
	cout << typeid(ret).name() << endl;
	cout << typeid(p).name() << endl;
	F(1, 'a');
	return 0;
}

3.3 nullptr

由于C++中NULL被定义成字面量0,这样就可能回带来一些问题,因为0既能指针常量,又能表示整形常量。所以出于清晰和安全的角度考虑,C++11中新增了nullptr,用于表示空指针。

#ifndef NULL
#ifdef __cplusplus
#define NULL 0
#else
#define NULL ((void *)0)
#endif
#endif

4.范围for循环

这个我们在前面的博客中已经进行了非常详细的讲解,这里就不进行讲解了,请参考C++入门+STL容器部分的博客讲解。

5.智能指针

这个我们在智能指针博客中已经进行了非常详细的讲解,这里就不进行讲解了,请参考智能指针部分博客讲解。

6.新增加容器—静态数组array、forward_list以及unordered系列(STL中一些变化)

6.1 新容器

用橘色圈起来是C++11中的一些几个新容器,但是实际最有用的unordered_map和unordered_set。这两个我们前面已经进行了非常详细的讲解,其他的大家了解一下即可。
在这里插入图片描述

6.2 容器中的一些新方法

如果我们再细细去看会发现基本每个容器中都增加了一些C++11的方法,但是其实很多都是用得比较少的。比如提供了cbegin和cend方法返回const迭代器等等,但是实际意义不大,因为begin和end也是可以返回const迭代器的,这些都是属于锦上添花的操作。实际上C++11更新后,容器中增加的新方法最后用的插入接口函数的右值引用版本:
https://cplusplus.com/reference/vector/vector/emplace_back/
https://cplusplus.com/reference/vector/vector/push_back/
https://cplusplus.com/reference/map/map/insert/
https://cplusplus.com/reference/map/map/emplace/
但是这些接口到底意义在哪?网上都说他们能提高效率,他们是如何提高效率的?请看下面的右值引用和移动语义知识点的讲解。另外emplace还涉及模板的可变参数,也需要再继续深入学习后面的知识。

7.右值引用

7.1 左值引用和右值引用

传统的C++语法中就有引用的语法,而C++11中新增了的右值引用语法特性,所以从现在开始我们之前学习的引用就叫做左值引用。无论左值引用还是右值引用,都是给对象取别名。

什么是左值?什么是左值引用?

左值是一个表示数据的表达式(如变量名或解引用的指针),我们可以获取它的地址+可以对它赋值,左值可以出现赋值符号的左边,右值不能出现在赋值符号左边。定义时const修饰符后的左值,不能给他赋值,但是可以取它的地址。左值引用就是给左值的引用,给左值取别名。

int main()
{
	// 以下的p、b、c、*p都是左值
	int* p = new int(0);
	int b = 1;
	const int c = 2;
	// 以下几个是对上面左值的左值引用
	int*& rp = p;
	int& rb = b;
	const int& rc = c;
	int& pvalue = *p;
	return 0;
}

什么是右值?什么是右值引用?

右值也是一个表示数据的表达式,如:字面常量、表达式返回值,函数返回值(这个不能是左值引用返回)等等,右值可以出现在赋值符号的右边,但是不能出现出现在赋值符号的左边,右值不能取地址。右值引用就是对右值的引用,给右值取别名。

int main()
{
	double x = 1.1, y = 2.2;
	// 以下几个都是常见的右值
	10;
	x + y;
	fmin(x, y);
	// 以下几个都是对右值的右值引用
	int&& rr1 = 10;
	double&& rr2 = x + y;
	double&& rr3 = fmin(x, y);
	// 这里编译会报错:error C2106: “=”: 左操作数必须为左值
	10 = 1;
	x + y = 1;
	fmin(x, y) = 1;
	return 0;
}

7.2 左值引用和右值引用作比较

左值引用总结:

  1. 左值引用只能引用左值,不能引用右值。
  2. 但是const左值引用既可引用左值,也可引用右值。
int main()
{
	// 左值引用只能引用左值,不能引用右值。
	int a = 10;
	int& ra1 = a; // ra为a的别名
	//int& ra2 = 10; // 编译失败,因为10是右值
	// const左值引用既可引用左值,也可引用右值。
	const int& ra3 = 10;
	const int& ra4 = a;
	return 0;
}

右值引用总结:

  1. 右值引用只能右值,不能引用左值。
  2. 但是右值引用可以move以后的左值。
int main()
{
	// 右值引用只能右值,不能引用左值。
	int&& r1 = 10;
	// error C2440: “初始化”: 无法从“int”转换为“int &&”
	// message : 无法将左值绑定到右值引用
	int a = 10;
	int&& r2 = a;
	// 右值引用可以引用move以后的左值
}

7.3 右值引用使用场景和意义

前面我们可以看到左值引用既可以引用左值和又可以引用右值,那为什么C++11还要提出右值引用呢?是不是化蛇添足呢?下面我们来看看左值引用的短板,右值引用是如何补齐这个短板的!

namespace quantian
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;
		iterator begin()
		{
			return _str;
		}
		iterator end()
		{
			return _str + _size;
		}
		string(const char* str = "")
			:_size(strlen(str))
			, _capacity(_size)
		{
			//cout << "string(char* str)" << endl;
			_str = new char[_capacity + 1];
			strcpy(_str, str);
		}
		// s1.swap(s2)
		void swap(string& s)
		{
			::swap(_str, s._str);
			::swap(_size, s._size);
			::swap(_capacity, s._capacity);
		}
		// 拷贝构造
		string(const string& s)
			:_str(nullptr)
		{
			cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;
			string tmp(s._str);
			swap(tmp);
		}
		// 赋值重载
		string& operator=(const string& s)
		{
		    cout << "string& operator=(string s) -- 深拷贝" << endl;
			string tmp(s);
			swap(tmp);
			return *this;
		}
		// 移动构造
		string(string&& s)
			:_str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			cout << "string(string&& s) -- 移动语义" << endl;
			swap(s);
		}
		// 移动赋值
		string& operator=(string&& s)
		{
			cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动语义" << endl;
			swap(s);
			return *this;
		}
		~string()
		{
			delete[] _str;
			_str = nullptr;
		}
		char& operator[](size_t pos)
		{
			assert(pos < _size);
			return _str[pos];
		}
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity)
			{
				char* tmp = new char[n + 1];
				strcpy(tmp, _str);
				delete[] _str;
				_str = tmp;
				_capacity = n;
			}
		}
		void push_back(char ch)
		{
			if (_size >= _capacity)
			{
				size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2;
				reserve(newcapacity);
			}
				_str[_size] = ch;
			++_size;
			_str[_size] = '\0';
		}
		//string operator+=(char ch)
		string& operator+=(char ch)
		{
			push_back(ch);
			return *this;
		}
		const char* c_str() const
		{
			return _str;
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity; // 不包含最后做标识的\0
	};
}

左值引用的使用场景
做参数和做返回值都可以提高效率。

void func1(quantian::string s)
{}
void func2(const quantian::string& s)
{}
int main()
{
	quantian::string s1("hello world");
	// func1和func2的调用我们可以看到左值引用做参数减少了拷贝,提高效率的使用场景和价值
	func1(s1);
	func2(s1);
	// string operator+=(char ch) 传值返回存在深拷贝
	// string& operator+=(char ch) 传左值引用没有拷贝提高了效率
	s1 += '!';
	return 0;
}

左值引用的短板
但是当函数返回对象是一个局部变量,出了函数作用域就不存在了,就不能使用左值引用返回,只能传值返回。例如:bit::string to_string(int value)函数中可以看到,这里只能使用传值返回,传值返回会导致至少1次拷贝构造(如果是一些旧一点的编译器可能是两次拷贝构造)。

namespace quantian
{
	quantian::string to_string(int value)
	{
		bool flag = true;
		if (value < 0)
		{
			flag = false;
			value = 0 - value;
		}
		quantian::string str;
		while (value > 0)
		{
			int x = value % 10;
			value /= 10;
			str += ('0' + x);
		}
		if (flag == false)
		{
			str += '-';
		}
			std::reverse(str.begin(), str.end());
		return str;
	}
}
int main()
{
	// 在quantian::string to_string(int value)函数中可以看到,这里
	// 只能使用传值返回,传值返回会导致至少1次拷贝构造(如果是一些旧一点的编译器可能是两次拷贝构造)。
	quantian::string ret1 = quantian::to_string(1234);
	quantian::string ret2 = quantian::to_string(-1234);
	return 0;
}

右值引用和移动语义解决上述问题
在quantian::string中增加移动构造,移动构造本质是将参数右值的资源窃取过来,占位已有,那么就不用做深拷贝了,所以它叫做移动构造,就是窃取别人的资源来构造自己
这里运行后,我们看到调用了一次移动构造和一次移动赋值。因为如果是用一个已经存在的对象接收,编译器就没办法优化了。
quantian::to_string函数中会先用str生成构造生成一个临时对象,但是我们可以看到,编译器很聪明的在这里把str识别成了右值,调用了移动构造。然后在把这个临时对象做为quantian::to_string函数调用的返回值赋值给ret1,这里调用的移动赋值。
STL中的容器都是增加了移动构造和移动赋值:
https://cplusplus.com/reference/string/string/string/
https://cplusplus.com/reference/vector/vector/vector/

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