Wednesday, September 5, 2012

C++11中值得关注的几大变化

赖勇浩（http://laiyonghao.com）
声明：本文源自 Danny Kalev 在 2011 年 6 月 21 日发表的《The Biggest Changes in C++11(and Why You Should Care)》一文，几乎所有内容都搬了过来，但不是全文照译，有困惑之处，请参详原文（http://www.softwarequalityconnection.com/2011/06/the-biggest-changes-in-c11-and-why-you-should-care/ ）。
注：作者 Danny Kalev 曾是 C++ 标准委员会成员。

Lambda 表达式

Lambda 表达式的形式是这样的：

[cpp] view plaincopy
  1. [capture](parameters)->return-type {body}  

来看个计数某个字符序列中有几个大写字母的例子：
[cpp] view plaincopy
  1. int main()  
  2. {  
  3.    char s[]="Hello World!";  
  4.    int Uppercase = 0; //modified by the lambda  
  5.    for_each(s, s+sizeof(s), [&Uppercase] (char c) {  
  6.     if (isupper(c))  
  7.      Uppercase++;  
  8.     });  
  9.  cout<< Uppercase<<" uppercase letters in: "<< s<<endl;  
  10. }  

其中 [&Uppercase] 中的 & 的意义是 lambda 函数体要获取一个 Uppercase 引用，以便能够改变它的值，如果没有 &，那就 Uppercase 将以传值的形式传递过去。

自动类型推导和 decltype

在 C++03 中，声明对象的同时必须指明其类型，其实大多数情况下，声明对象的同时也会包括一个初始值，C++11 在这种情况下就能够让你声明对象时不再指定类型了：

[c-sharp] view plaincopy
  1. auto x=0; //0 是 int 类型，所以 x 也是 int 类型  
  2. auto c='a'; //char  
  3. auto d=0.5; //double  
  4. auto national_debt=14400000000000LL;//long long  

这个特性在对象的类型很大很长的时候很有用，如：
[cpp] view plaincopy
  1. void func(const vector<int> &vi)  
  2. {  
  3.   vector<int>::const_iterator ci=vi.begin();  
  4. }  

那个迭代器可以声明为：
[cpp] view plaincopy
  1. auto ci=vi.begin();  

C++11 也提供了从对象或表达式中"俘获"类型的机制，新的操作符 decltype 可以从一个表达式中"俘获"其结果的类型并"返回"：
[c-sharp] view plaincopy
  1. const vector<int> vi;  
  2. typedef decltype (vi.begin()) CIT;  
  3. CIT another_const_iterator;  

统一的初始化语法

C++ 最少有 4 种不同的初始化形式，如括号内初始化，见：

[cpp] view plaincopy
  1. std::string s("hello");  
  2. int m=int(); //default initialization  

还有等号形式的：
[cpp] view plaincopy
  1. std::string s="hello";  
  2. int x=5;  

对于 POD 集合，又可以用大括号：
[cpp] view plaincopy
  1. int arr[4]={0,1,2,3};  
  2. struct tm today={0};  

最后还有构造函数的成员初始化：
[cpp] view plaincopy
  1. struct S {  
  2.  int x;  
  3.  S(): x(0) {} };  

这么多初始化形式，不仅菜鸟会搞得很头大，高手也吃不消。更惨的是 C++03 中居然不能初始化 POD 数组的类成员，也不能在使用 new[] 的时候初始 POD 数组，操蛋啊！C++11 就用大括号一统天下了：
[cpp] view plaincopy
  1. class C  
  2. {  
  3. int a;  
  4. int b;  
  5. public:  
  6.  C(int i, int j);  
  7. };  
  8. C c {0,0}; //C++11 only. 相 当于 C c(0,0);  
  9. int* a = new int[3] { 1, 2, 0 }; /C++11 only  
  10. class X {  
  11.   int a[4];  
  12. public:  
  13.   X() : a{1,2,3,4} {} //C++11, 初始化数组成员  
  14. };  

还有一大好事就是对于容器来说，终于可以摆脱 push_back() 调用了，C++11中可以直观地初始化容器了：
[cpp] view plaincopy
  1. // C++11 container initializer  
  2. vector vs<string>={ "first", "second", "third"};  
  3. map singers =  
  4.   { {"Lady Gaga", "+1 (212) 555-7890"},  
  5.     {"Beyonce Knowles", "+1 (212) 555-0987"}};  

而类中的数据成员初始化也得到了支持：
[cpp] view plaincopy
  1. class C  
  2. {  
  3.  int a=7; //C++11 only  
  4. public:  
  5.  C();  
  6. };  

deleted 函数和 defaulted 函数

像以下形式的函数：

[cpp] view plaincopy
  1. struct A  
  2. {  
  3.  A()=default; //C++11  
  4.  virtual ~A()=default; //C++11  
  5. };  

叫做 defaulted 函数，=default; 指示编译器生成该函数的默认实现。这有两个好处：一是让程序员轻松了，少敲键盘，二是有更好的性能。
与 defaulted 函数相对的就是 deleted 函数：
[cpp] view plaincopy
  1. int func()=delete;  

这货有一大用途就是实现 noncopyabe 防止对象拷贝，要想禁止拷贝，用 =deleted 声明一下两个关键的成员函数就可以了：
[cpp] view plaincopy
  1. struct NoCopy  
  2. {  
  3.     NoCopy & operator =( const NoCopy & ) = delete;  
  4.     NoCopy ( const NoCopy & ) = delete;  
  5. };  
  6. NoCopy a;  
  7. NoCopy b(a); //编译错 误，拷贝构造函数是 deleted 函数  

nullptr

nullptr 是一个新的 C++ 关键字，它是空指针常量，它是用来替代高风险的 NULL 宏和 0 字面量的。nullptr 是强类型的：

[cpp] view plaincopy
  1. void f(int); //#1  
  2. void f(char *);//#2  
  3. //C++03  
  4. f(0); //调用的是哪个 f?  
  5. //C++11  
  6. f(nullptr) //毫无疑问，调用的 是 #2  

所有跟指针有关的地方都可以用 nullptr，包括函数指针和成员指针：
[cpp] view plaincopy
  1. const char *pc=str.c_str(); //data pointers  
  2. if (pc!=nullptr)  
  3.   cout<<pc<<endl;  
  4. int (A::*pmf)()=nullptr; //指向成员函数的指针  
  5. void (*pmf)()=nullptr; //指向函数的指针  

委托构造函数

C++11 中构造函数可以调用同一个类的另一个构造函数：

[cpp] view plaincopy
  1. class M //C++11 delegating constructors  
  2. {  
  3.  int x, y;  
  4.  char *p;  
  5. public:  
  6.  M(int v) : x(v), y(0),  p(new char [MAX])  {} //#1 target  
  7.  M(): M(0) {cout<<"delegating ctor"<<end;} //#2 delegating  

#2 就是所谓的委托构造函数，调用了真正的构造函数 #1。

右值引用

在 C++03 中的引用类型是只绑定左值的，C++11 引用一个新的引用类型叫右值引用类型，它是绑定到右值的，如临时对象或字面量。
增加右值引用的主要原因是为了实现 move 语义。与传统的拷贝不同，move 的意思是目标对象"窃取"原对象的资源，并将源置于"空"状态。当拷贝一个对象时，其实代价昂贵且无必要，move 操作就可以替代它。如在 string 交换的时候，使用 move 意义就有巨大的性能提升，如原方案是这样的：

[cpp] view plaincopy
  1. void naiveswap(string &a, string & b)  
  2. {  
  3.  string temp = a;  
  4.  a=b;  
  5.  b=temp;  
  6. }  

这种方案很傻很天真，很慢，因为需要申请内存，然后拷贝字符，而 move 就只需要交换两个数据成员，无须申请、释放内存和拷贝字符数组：
[cpp] view plaincopy
  1. void moveswapstr(string& empty, string & filled)  
  2. {  
  3. //pseudo code, but you get the idea  
  4.  size_t sz=empty.size();  
  5.  const char *p= empty.data();  
  6. //move filled's resources to empty  
  7.  empty.setsize(filled.size());  
  8.  empty.setdata(filled.data());  
  9. //filled becomes empty  
  10.  filled.setsize(sz);  
  11.  filled.setdata(p);  
  12. }  

要实现支持 move 的类，需要声明 move 构造函数和 move 赋值操作符，如下：
[cpp] view plaincopy
  1. class Movable  
  2. {  
  3. Movable (Movable&&); //move constructor  
  4. Movable&& operator=(Movable&&); //move assignment operator  
  5. };  

C++11 的标准库广泛使用 move 语义，很多算法和容器都已经使用 move 语义优化过了。

C++11 的标准库

除 TR1 包含的新容器（unordered_set, unordered_map, unordered_multiset, 和unordered_multimap），还有一些新的库，如正则表达式，tuple，函数对象封装器等。下面介绍一些 C++11 的标准库新特性：

线程库

从程序员的角度来看，C++11 最重要的特性就是并发了。C++11 提供了 thread 类，也提供了 promise 和 future 用以并发环境中的同步，用 async() 函数模板执行并发任务，和 thread_local 存储声明为特定线程独占的数据，这里（http://www.devx.com/SpecialReports/Article/38883）有一个简单 的 C++11 线程库教程（英文）。

新的智能指针类

C++98 定义的唯一的智能指针类 auto_ptr 已经被弃用，C++11 引入了新的智能针对类 shared_ptr 和 unique_ptr。它们都是标准库的其它组件兼容，可以安全地把智能指针存入标准容器，也可以安全地用标准算法"倒腾"它们。

新的算法

主要是 all_of()、any_of() 和 none_of()，下面是例子：

[cpp] view plaincopy
  1. #include <algorithm>  
  2. //C++11 code  
  3. //are all of the elements positive?  
  4. all_of(first, first+n, ispositive()); //false  
  5. //is there at least one positive element?  
  6. any_of(first, first+n, ispositive());//true  
  7. // are none of the elements positive?  
  8. none_of(first, first+n, ispositive()); //false  

还有一个新的 copy_n：
[cpp] view plaincopy
  1. #include <algorithm>  
  2. int source[5]={0,12,34,50,80};  
  3. int target[5];  
  4. //从 source 拷贝 5 个元素 到 target  
  5. copy_n(source,5,target);  

iota() 算法可以用来创建递增序列，它先把初值赋值给 *first，然后用前置 ++ 操作符增长初值并赋值到给下一个迭代器指向的元素，如下：
[cpp] view plaincopy
  1. #include <numeric>  
  2. int a[5]={0};  
  3. char c[3]={0};  
  4. iota(a, a+5, 10); //changes a to {10,11,12,13,14}  
  5. iota(c, c+3, 'a'); //{'a','b','c'}  

是的，C++11 仍然缺少一些很有用的库如 XML API，socket，GUI、反射——以及自动垃圾收集。然而现有特性已经让 C++ 更安全、高效（是的，效率更高了，可以参见 Google 的 基准测试结果http://www.itproportal.com/2011/06/07/googles-rates-c-most- complex-highest-performing-language/）以及更加易于学习和使用。
如果觉得 C++ 变化太大了，不必惊恐，花点时间来学习就好了。可能在你融会贯通新特性以后，你会同意 Stroustrup 的观点：C++11 是一门新的语言——一个更好的 C++。


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