【C++11】常见的c++11新特性(一)

文章目录

1. C++11 简介
2. 常见的c++11特性
3.统一的列表初始化
- 3.1initializer_list
4. decltype与auto
- 4.1decltype与auto的区别
5.nullptr
6.右值引用和移动语义
- 6.1左值和右值
- - 6.1.1左值的特点
  - 6.1.2右值的特点
  - 6.1.3右值的进一步分类
- 6.2左值引用和右值引用以及区别
- - 6.2.1左值引用
  - 6.2.2左值引用总结
  - 6.2.3右值引用
  - 6.2.4右值引用总结
  - 6.2.5move函数
- 6.3右值引用的使用场景及其作用
- - 6.3.1移动语义
  - 6.3.2移动构造
  - 6.3.3移动赋值函数
  - 6.3.4右值本身也是一个左值
  - 6.3.5STL容器中的移动构造和移动赋值
- 6.4完美转发
- - 6.4.1完美转发的介绍
  - 6.4.2forward函数的使用
7.新的类功能
- 7.1c++11新增了两个默认成员函数
- 7.2delete和dault
- 7.3final和override关键字

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：

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。

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：

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：

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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述

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：

在这里插入图片描述
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：

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

左值引用只能引用左值，不能引用右值，比如
const左值引用可以引用右值
不能延长临时对象的生命周期，可能会导致悬空引用。

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：

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：

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

右值引用只能引用右值，不能引用左值，比如：
右值引用可以引用move以后的左值，比如
右值本身也是一个左值
右值引用是实现移动语义的关键，这一点下面会具体解释
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：

#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：
在这里插入图片描述
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：

 // 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：

// 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：
在这里插入图片描述
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：

 //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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述
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：
在这里插入图片描述

6.4完美转发

思考下面代码样例：


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：
在这里插入图片描述
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：

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

在这里插入图片描述
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：

构造
拷贝构造
析构
拷贝赋值重载
取地址重载
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：

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：

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;
};