【C++11】常见的c++11新特性(一)

失眠的稻草人2592024-06-18 8:44

文章目录

1. C++11 简介

c++11,即2011 年发布的新c++标准。相比于c++98和03，c++11带来了很多变化，其中包含了约140多个新特性，以及对c++03标准中大约600多个缺陷的修正。这使得c++11更像是一个从c++98/03孕育出来的一个新版本。对比于之前的版本，c++11能更好的用于系统开发和库开发、语法更加的泛华和简单化、更加稳定和安全，不仅功能更加强大，而且能提升程序员的开发效率。这也是我们学习c++11的重要原因。下面介绍常见的一些c++11特性。

2. 常见的c++11特性

  • 列表初始化
  • 变量类型推导
    • auto
    • decltype
  • 范围for循环
  • final与override
  • 智能指针
  • 新增加容器---静态数组array、forward_list以及unordered系列
  • 默认成员函数控制
  • 右值引用
  • lambda表达式
  • 包装器
  • 线程库

3.统一的列表初始化

使用列表对数组或者结构体进行初始化在c++98就已经被支持使用了，例如：

cpp 复制代码 
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;
}

但是c++98的列表初始化局限于对数组和聚合类型的初始化，限制比较多，且不支持类型推导。c++11扩大了用{}（初始化列表）的使用范围，使得所有的内置类型和自定义类型都能以一种统一方式进行初始化，包括SL容器等。使用初始化列表时，可以添加等号也可以不添加，类似于构造声明。

cpp 复制代码 
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;
}

自定义类型能支持列表初始化的原因是因为，在其类体中重载了以初始化列表类模板为参数的构造函数。以至于我们能直接使用{}构造一个对象。

3.1initializer_list

initializer_list是一个C++11提供的一个轻量级容器，专门用来接收{}内的初始化列表。本质上是一个类模板，由于模板的特性，在构造initializer_list类时，会自动推导{}里的类型，从而完成对自定义类型的构造。这个容器其实在我之前的文章里有介绍过：initializer_list的介绍。

下面给出一个伪代码样例：

cpp 复制代码 
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;
     }

上面自定义的vector类重载了以initializer_list模板为参数的一个构造函数,有了这个构造函数之后，就能使用{}的方式对自定义类型进行构造。分析下面代码构造过程：

cpp 复制代码 
vector<int> a = { 1,2,3 };
  • 编辑器先是根据{}构造出一个initializer_list对象，然后再调用vector类的构造函数。

4. decltype与auto

decltype关键字是一个类型推导工具，可以将变量的类型声明为表达式指定的类型，比如：

decltype表达式的基本用法就是后面跟上一个括号，编译器会自动推导出括号里面表达式的类型，但不执行该表达式。

4.1decltype与auto的区别

auto也是一个c++11更新的一个特性，也能用来做类型的推导，但是和decltype有很多不一样的地方：

  • auto 忽略表达式的引用性质，而是推导出一个干净的类型。
  • decltype完全保留表达式的类型，包括const属性和引用属性。

思考以下代码：

我们发现，auto并没有推导出引用属性，所以变量b++之后并不会影响num，本质上b只是一个int类型。而decltype能推导出引用属性，所以变量c实际上是一个int&类型，自增之后会影响num。这样证明了decltype推导类型比auto更为准确。同样，const类型的推导也是如此：

5.nullptr

nullptr是c++11新出的一个专门用来表示空属性的一个关键字。关于nullptr与NULL的区别，我在之前的文章中有介绍过。这里就不过多介绍。

6.右值引用和移动语义

6.1左值和右值

左值（Lvalue）和右值(Rvalue)不单单是指某个变量的属性，而是可以用来描述表达式的属性。

  • 左值的定义：左值是具有持久存储位置的表达式。换句话说，左值是指那些在内存中具有明确地址的对象，且这个地址持久不变。左值可以出现在赋值表达式的左侧或者右侧。最直观的理解就是左值能用&取出地址。
  • 右值的定义： 右值和左值相反，是指不具有持久存储位置的表达式。 右值通常都是临时的，生命周期非常短，比如匿名对象等临时值。最直观的理解就是右值不能用&取出地址。

给出代码样例观察对左值和右值取地址：

我们可以看到，由于10是一个字面量即右值，不能对其取地址。编译器也提示&只能对左值取地址。

6.1.1左值的特点

  • 可以用&取地址
  • 通常表示对象的身份如变量名

6.1.2右值的特点

  • 不能用&取出地址
  • 只能在赋值表达式的右边
  • 表示的是数据的值，而不是身份
  • 通常是临时值、字面量等

6.1.3右值的进一步分类

右值又可以分为存右值和将亡值：

  • 纯右值：表示不对应任何对象的临时值，例如字面量或者表达式"1+2"这种。
  • 将亡值：表示即将被摧毁、可以被移动的对象。

6.2左值引用和右值引用以及区别

6.2.1左值引用

左值引用使用一个&表示，通常只能绑定给左值。下面给出常见的左值引用左值的例子：

cpp 复制代码 
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;
}

6.2.2左值引用总结

  1. 左值引用只能引用左值，不能引用右值，比如

  2. const左值引用可以引用右值

  3. 不能延长临时对象的生命周期，可能会导致悬空引用。

cpp 复制代码 
int& getTemporary() {
    int temp = 10;
    return temp; // 返回局部变量的引用
}

int main() {
    int& ref = getTemporary(); // 悬空引用
    std::cout << "ref: " << ref << std::endl; // 未定义行为
    return 0;
}

6.2.3右值引用

右值引用通常只能绑定右值，使用两个连续的&&表示。下面给出右值引用右值的几个例子：

cpp 复制代码 
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;
}

对于右值引用绑定常量右值，必须使用const修饰符，这样引用的内容是不会被修改的。如果右值引用绑定非常量右值，我们是可以修改其内容的：

cpp 复制代码 
int main()
{
 double x = 1.1, y = 2.2;
 int&& rr1 = 10;
 const double&& rr2 = x + y;
 rr1 = 20;
 rr2 = 5.5;  // 报错
 return 0;
}

6.2.4右值引用总结

  1. 右值引用只能引用右值，不能引用左值，比如：

  2. 右值引用可以引用move以后的左值，比如

  3. 右值本身也是一个左值

  4. 右值引用是实现移动语义的关键，这一点下面会具体解释

  5. 右值引用能延长临时对象的生命周期，这一点下面也会具体解释

6.2.5move函数

move函数是c++标准提供的一个库函数，用于将左值转换为右值引用

6.3右值引用的使用场景及其作用

右值引用是为了提高程序性能和优化资源管理而设计的，以下是右值引用常见的场景及其作用：

6.3.1移动语义

在c++98中，当对象被传递，返回或者赋值时通常会进行深拷贝。对于一些比较大的对象，这种拷贝操作就非常耗时且低效。比如：

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <cstring> // For memcpy

class Buffer {
public:
    size_t size;
    int* data;

    // 构造函数
    Buffer(size_t s=10) : size(s), data(new int[s]) {
        std::cout << "构造 " << size * sizeof(int) << " bytes" << std::endl;
    }

    // 复制构造函数
    Buffer(const Buffer& other) : size(other.size), data(new int[other.size]) {
        std::memcpy(data, other.data, size * sizeof(int));
        std::cout << "拷贝构造 " << size * sizeof(int) << " bytes" << std::endl;
    }

    // 析构函数
    ~Buffer() {
        delete[] data;
        std::cout << "析构 " << size * sizeof(int) << " bytes" << std::endl;
    }
};

void processBuffer(Buffer buf) {
    // 对缓冲区进行处理
}

int main() {
    Buffer buf1(100);
    processBuffer(buf1); // 调用复制构造函数
    return 0;
}

在上述例子中，将buf1传给processBuffer函数时，会调用拷贝构造，这导致整个对象都被多拷贝一次，浪费了资源：

为了避免类似上述情况这种不必要的拷贝，c++11提出了移动语义。即不拷贝资源，而是"移动"资源。

移动语义通过引入右值引用来实现。右值引用允许我们区分那些可以被移动的资源，从而避免不必要的复制。那么怎样通过右值引用来实现移动语义呢？移动构造函数和移动赋值函数是实现移动语义的核心机制。下面介绍移动构造函数和移动赋值函数。

6.3.2移动构造

移动构造和普通的拷贝构造的区别在于，普通的拷贝构造的参数是同类对象的左值引用，而移动构造的参数是同类对象的右值引用。移动构造的功能是为了实现资源的移动而不是复制。结合上面的例子，给出一个Buffer类的移动构造函数：

cpp 复制代码 
 // 移动构造函数
 Buffer(Buffer&& other) : size(other.size), data(other.data) {
     other.size = 0;
     other.data = nullptr;
     std::cout << "移动构造 " << size * sizeof(int) << " bytes" << std::endl;
 }

拷贝构造：

cpp 复制代码 
// 复制构造函数
Buffer(const Buffer& other) : size(other.size), data(new int[other.size]) {
    std::memcpy(data, other.data, size * sizeof(int));
    std::cout << "拷贝构造 " << size * sizeof(int) << " bytes" << std::endl;
}

对比移动构造和拷贝构造，我们发现，调用移动构造函数并没有重新开辟空间 ，而是移动了指向资源的指针，使得构造出来的对象占有参数对象的资源。通过移动构造，往后我们在使用匿名对象这种右值构造对象时，就不会再去拷贝一份一模一样的资源，而是直接使用匿名对象的资源。这也能理解为什么说右值引用能延长将亡对象的生命周期。

将移动构造函数加入到Buffer类中，继续上面代码的运行观察结构：

显然，在传参的过程中确实没有进行拷贝，这也是为什么说移动语义能优化效率的原因：不拷贝资源，只移动资源。移动的动作由移动构造和移动赋值函数完成，而移动构造和移动赋值函数又依赖于右值引用。值得注意的是，由于移动了资源，原来拥有这些资源的对象就不能再使用这些资源了。

6.3.3移动赋值函数

移动赋值函数其实就是重载了一个赋值运算符，只不过跟移动构造类似，移动赋值函数同样依赖于右值引用。传统的赋值运算重载其实就是一次深拷贝，而移动赋值运算符重载允许在对象赋值时，通过转移资源而不是复制资源来实现赋值操作。

对于上述代码样例添加重载赋值运算符函数，并提供移动赋值版本和普通赋值版本：

cpp 复制代码 
 //移动赋值
 Buffer& operator=(Buffer&& other) {
     if (this != &other) {
         delete[] data;//释放当前资源
         size = other.size;
         data = other.data;
         other.data = nullptr;
         other.size = 0;
         cout << "移动赋值" << endl;
     }
     return *this;
     
 }

 //传统赋值拷贝
 Buffer& operator=(const Buffer& other) {
     if (this != &other) {
         Buffer temp(other);//构造一个临时对象
         delete[] data;//释放自己的资源

         swap(temp.data, data);
         swap(size, temp.size);

     }
     return *this;

 }

左值赋值演示：

右值赋值演示：

当使用左值赋值时调用的是传统的赋值拷贝，而实现了移动赋值运算符函数后，我们用右值赋值给对象时，将buf1的资源转移给buf2,中间没有深拷贝。值得注意的是，由于将资源给了buf2，buf1将不再拥有之前的资源。

6.3.4右值本身也是一个左值

所有的引用在c++中都是左值，右值引用本身也是一个左值。这是因为右值引用本身也是一个具有名称和地址的变量，只不过引用的是一个右值。可以理解为，要想使用右值的资源就需要一个具有地址的载体。思考下面例子：

我们可以看到，在getf函数中x是一个右值引用变量，因为右值引用本身也是一个左值，于是调用了左值的f函数版本。

6.3.5STL容器中的移动构造和移动赋值

有了移动语义之后，c++11给STL容器都添加了移动构造和移动赋值函数，在cplusplus网站中可以看到这些函数的声明：

6.4完美转发

思考下面代码样例：

cpp 复制代码 
void Fun(int& x) { cout << "左值引用" << endl; }
void Fun(const int& x) { cout << "const 左值引用" << endl; }

void Fun(int&& x) { cout << "右值引用" << endl; }
void Fun(const int&& x) { cout << "const 右值引用" << endl; }

template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)//T为万能引用
{
	Fun(t);
}
int main()
{
	PerfectForward(10); //右值
	int a;
	PerfectForward(a); //左值
	PerfectForward(std::move(a)); // 右值
	const int b = 8;
	PerfectForward(b); //const 左值
	PerfectForward(std::move(b)); // const 右值
	return 0;
}

为了能更好的将右值引用结合到模板中，c++11提供了万能引用这一概念。万能引用用于模板编程，可以绑定到任何类型的值，无论是右值还是左值。这也就使得模能支持实现移动语义。可是当我们运行上面的代码：

即使编译器能通过万能引用推断出PerfectForward函数参数是左值引用还是右值引用，可是由于右值引用本身也是一个左值，只会调用左值版本的Fun函数。也就是说另一个函数并不能识别左值引用和右值引用，统统当左值处理。那如何使左值引用和右值引用匹配到正确的函数呢？这里的正确性是指达到我们想要的目的，即传递右值引用调用右值版本的Fun函数。完美转发就可以很好的解决这一问题。

6.4.1完美转发的介绍

完美转发是C++11引入的一种技术，用于在模板函数中将参数完美的转发给另一个函数，无论是左值还是右值。完美转发的机制依赖于两个概念：

  • 右值引用折叠：其实就是万能引用的机制，在模板实例化时两个 引用类型的组合如何折叠成最终的类型，具体的折叠方式有以下几种：

    • T& &和T& &&折叠成T&
    • T&& &和T&& &&折叠成T&&

  • forward函数：用于实现完美转发。

6.4.2forward函数的使用

针对上面的代码样例，使用forward函数实现完美转发：

cpp 复制代码 
template<typename T>
void PerfectForward(T&& t)//T为万能引用
{
	Fun(forward<T>(t));
}


PerfectForward函数模板接受一个·万能引用T&&，并使用forward将参数完美的转发给Fun函数。

7.新的类功能

原来的c++类中有 六个默认成员函数：

  1. 构造
  2. 拷贝构造
  3. 析构
  4. 拷贝赋值重载
  5. 取地址重载
  6. const 取地址重载

7.1c++11新增了两个默认成员函数

  • 移动构造函数
  • 移动赋值运算符重载

编译器会在以下条件下 自动生成移动构造函数和移动赋值运算符重载：

  • 移动构造函数：如果在类中没有显式定义移动构造、拷贝构造、拷贝赋值重载、移动赋值重载或者析构中的任何一个，编译器就会自动生成一个默认的移动构造函数。默认生成的移动构造函数，对于内置类型进行浅拷贝，对于自定义类型有则调用其移动构造，没有则调用其拷贝构造。
  • 移动赋值重载：如果在类中没有显示实现移动赋值重载、拷贝构造、拷贝赋值重载中的任意一个·，那么编译器会自动生成一个移动赋值重载函数。默认生成的移动赋值重载函数，对于内置类型进行浅拷贝。对于自定义类型有则调用其移动赋值重载函数，无则调用其拷贝赋值重载函数。

7.2delete和dault

如果不想让编译器自动生成默认函数，可以在该函数后面添加=delete，该语法指示编译器不再生成该函数的默认版本。

比如：

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
 Person(const char* name = "", int age = 0)
 :_name(name)
 , _age(age)
 {}
 Person(const Person& p) = delete;//编译器不再自动生成拷贝构造函数
private:
 bit::string _name;
 int _age;
};

相反default关键字则是告诉编译器强制生成默认版本函数，比如：

cpp 复制代码 
class Person
{
public:
 Person(const char* name = "", int age = 0)
 :_name(name)
 , _age(age)
 {}
 Person(const Person& p) = default;//强制生成拷贝构造函数
private:
 bit::string _name;
 int _age;
};

7.3final和override关键字

  • final:可以用来修饰类与虚函数。修饰虚函数，表示该虚函数不能被重写。修饰类，则表示该类不能被继承。
  • override:检查派生类虚函数是否重写了基类某个虚函数，如果没有重写编译报错
    具体用法在之前关于继承多态那一章博客里有介绍：一眼就爱上了多态
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