C++11至C++20的新特性总结

原创于 2025-03-02 16:50:45 发布 · 676 阅读

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C++11至C++20的新特性总结

引言

C++是全球使用最广泛的编程语言之一，历经多年发展，随着C++11、C++14、C++17和C++20等标准的发布，C++语言不断引入新特性，以提高代码的效率、可读性和开发者的生产力。这些新特性涵盖了语言本身的语法、库的功能扩展、并发支持、性能优化等多个方面。

本文将对C++11至C++20的重要新特性进行总结，以帮助开发者了解和利用这些特性来提升C++编程的效率和质量。

1. C++11的关键特性

1.1 自动类型推导（`auto`）

auto关键字允许编译器根据表达式的类型推导出变量的类型，减少了冗长的类型声明，并增强了代码的可读性。

示例：

auto x = 42;    // x 自动推导为 int
auto y = 3.14;  // y 自动推导为 double

1.2 基于范围的循环（Range-based for loop）

C++11引入了基于范围的循环，使得遍历容器更加简洁。

示例：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
for (auto& num : vec) {
    std::cout << num << std::endl;
}

1.3 `nullptr`

nullptr是一个新的空指针常量，替代了传统的NULL，具有更强的类型安全性。

示例：

int* ptr = nullptr;  // 更安全的空指针

1.4 强类型枚举（`enum class`）

C++11引入了强类型枚举enum class，避免了传统枚举中枚举项被隐式转换为整数的问题。

示例：

enum class Color { Red, Green, Blue };
Color c = Color::Red;

1.5 移动语义（Move Semantics）和右值引用（`&&`）

C++11通过引入右值引用（&&）和移动语义，优化了资源管理和性能，尤其是在容器的元素转移时，减少了不必要的复制操作。

示例：

std::vector<int> vec1 = {1, 2, 3};
std::vector<int> vec2 = std::move(vec1);  // vec1 的资源被转移到 vec2

1.6 `lambda`表达式

C++11引入了lambda表达式，允许在函数内部定义匿名函数。

示例：

auto add = [](int a, int b) { return a + b; };
std::cout << add(2, 3) << std::endl;  // 输出 5

1.7 静态断言（`static_assert`）

static_assert在编译时检查条件，如果条件为假，则会生成编译错误。

示例：

static_assert(sizeof(int) == 4, "Size of int must be 4 bytes");

2. C++14的关键特性

C++14主要是对C++11特性的修正和扩展，主要的改进包括：

2.1 通用lambda捕获（Generic lambda capture）

C++14允许在lambda表达式中使用通用捕获（捕获所有外部变量），并通过[=]和[&]来捕获所有变量。

示例：

int x = 10;
auto lambda = [x](int y) { return x + y; };
std::cout << lambda(5) << std::endl;  // 输出 15

2.2 `auto`的返回类型推导

C++14允许在返回类型上使用auto，使得返回类型能够根据函数体自动推导。

示例：

auto add(int a, int b) {
    return a + b;
}

2.3 二进制字面量（Binary Literals）

C++14引入了二进制字面量，可以使用0b或0B前缀表示二进制数字。

示例：

int x = 0b101010;  // 二进制字面量 42

3. C++17的关键特性

C++17带来了一些更加创新的特性，主要是语言和库的增强。

3.1 `if`和`switch`语句的初始化语句

C++17允许在if和switch语句中直接初始化变量，从而使代码更加简洁。

示例：

if (int x = 10; x > 5) {
    std::cout << "x is greater than 5\n";
}

3.2 文件系统库（`<filesystem>`）

C++17引入了标准的文件系统库，使得文件和目录操作更加简洁和一致。

示例：

#include <filesystem>
namespace fs = std::filesystem;

int main() {
    for (const auto& entry : fs::directory_iterator("./")) {
        std::cout << entry.path() << std::endl;
    }
}

3.3 `std::optional`

std::optional表示一个值可能为空或有值，解决了nullptr和空值的处理问题。

示例：

#include <optional>

std::optional<int> get_value(bool flag) {
    if (flag) return 42;
    return std::nullopt;
}

3.4 结构化绑定声明（Structured Bindings）

C++17允许直接将结构化数据（如pair或tuple）中的元素绑定到变量上。

示例：

std::pair<int, std::string> p = {1, "Hello"};
auto [x, y] = p;  // 结构化绑定
std::cout << x << ", " << y << std::endl;

3.5 `std::string_view`

std::string_view是一个轻量级的字符串视图类，它不拥有字符串数据，但可以安全地引用现有的字符串数据。

示例：

std::string_view sv = "Hello, World!";
std::cout << sv << std::endl;

4. C++20的关键特性

C++20是一个大型的更新，带来了许多重要的新特性，尤其是在并发、概念、范围和协程等方面。

4.1 概念（Concepts）

C++20引入了概念（Concepts），它们用于对模板参数进行约束，提升了模板的可读性和可维护性。

示例：

template <typename T>
concept Incrementable = requires(T a) { ++a; };

template <Incrementable T>
T increment(T x) { return ++x; }

4.2 协程（Coroutines）

C++20引入了协程（Coroutines），使得异步编程变得更加简洁直观。协程简化了异步任务的编写，使得程序可以在等待操作时挂起，之后恢复执行。

示例：

#include <iostream>
#include <coroutine>

std::coroutine_handle<> handle;

void simple_coroutine() {
    std::cout << "Start Coroutine\n";
    co_return;
    std::cout << "End Coroutine\n";
}

int main() {
    handle = std::coroutine_handle<>::from_address(simple_coroutine());
    handle.resume();  // 启动协程
    return 0;
}

4.3 范围（Ranges）

C++20引入了ranges库，它扩展了STL算法的功能，使得操作容器时更加直观和简洁。

示例：

#include <ranges>
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    auto filtered = vec | std::ranges::view::transform([](int x) { return x * 2; });
    for (auto val : filtered) {
        std::cout << val << std::endl;
    }
}