C++11 新特性总结

弃用特性

  • 不再允许字符串字面值常量赋值给一个 char *。如果需要用字符串字面值常量赋值和初始化一个 char *,应该使用 const char * 或者 autochar *str = "hello world!"; // 将出现弃用警告 warning: ISO C++ forbids converting a string constant to 'char*' [-Wwrite-strings]
  • C++98 异常说明、 unexpected_handlerset_unexpected() 等相关特性被弃用,应该使用 noexcept
  • auto_ptr 被弃用,应使用 unique_ptr
  • register 关键字被弃用,可以使用但不再具备任何实际含义。
  • bool 类型的 ++ 操作被弃用。
  • 如果一个类有析构函数,为其生成拷贝构造函数和拷贝赋值运算符的特性被弃用了。
  • C 语言风格的类型转换被弃用(即在变量前使用 (convert_type)),应该使用 static_castreinterpret_castconst_cast 来进行类型转换。

语言可用性的强化

nullptr

nullptr 出现的目的是为了替代 NULL。传统 C++ 会把 NULL0 视为同一种东西。有些编译器会将 NULL 定义为 ((void*)0)。对于NULL会对如下代码产生歧义:

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void TestWork(int index)
void TestWork(int *index)

constexpr

C++11 提供了 constexpr 让用户显式的声明函数或对象构造函数在编译期会成为常量表达式,这个关键字明确的告诉编译器应该去验证 len_constexpr() 在编译期就应该是一个常量表达式。

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constexpr int len_constexpr() {
return 5;
}

char arr_6[len_constexpr() + 1]; // 合法

初始化列表

初始化是一个非常重要的语言特性,最常见的就是在对象进行初始化时进行使用。在传统 C++ 中,不同的对象有着不同的初始化方法,例如普通数组、POD (Plain Old Data,即没有构造、析构和虚函数的类或结构体)类型都可以使用 {} 进行初始化,也就是我们所说的初始化列表。而对于类对象的初始化,要么需要通过拷贝构造、要么就需要使用 () 进行。这些不同方法都针对各自对象,不能通用。
为了解决这个问题,C++11 首先把初始化列表的概念绑定到了类型上,并将其称之为 std::initializer_list,允许构造函数或其他函数像参数一样使用初始化列表,这就为类对象的初始化与普通数组和 POD 的初始化方法提供了统一的桥梁,例如:

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#include <initializer_list>

class Foo {
public:
int value_a;
int value_b;
Foo(int a, int b) : value_a(a), value_b(b) {}
};

class MagicFoo {
public:
std::vector<int> vec;
MagicFoo(std::initializer_list<int> list) {
for (std::initializer_list<int>::iterator it = list.begin();
it != list.end(); ++it)
vec.push_back(*it);
}
};
int main() {
// before C++11
int arr[3] = {1, 2, 3};
Foo foo1(1, 2);

// after C++11
Foo foo2 {3, 4};

MagicFoo magicFoo = {1, 2, 3, 4, 5};

std::cout << "magicFoo: ";
for (std::vector<int>::iterator it = magicFoo.vec.begin(); it != magicFoo.vec.end(); ++it) std::cout << *it << std::endl;
}

auto

C++11 引入了 auto 类型推导,让编译器来操心变量的类型。使用 auto 进行类型推导的一个最为常见而且显著的例子就是迭代器。

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for(auto it = vec.cbegin(); itr != vec.cend(); ++it) { }

注意auto 不能用于函数传参,如int add(auto x, auto y);auto 还不能用于推导数组类型:auto auto_arr2[10] = arr; // 错误, 无法推导数组元素类型

decltype

decltype 关键字是为了解决 auto 关键字只能对变量进行类型推导的缺陷而出现的。它的用法和 sizeof 很相似:decltype(表达式)

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auto x = 1;
auto y = 2;
decltype(x+y) z;

if (std::is_same<decltype(z), int>::value)
std::cout << "type x == int" << std::endl;

其中 std::is_same<T, U> 用于判断 TU 这两个类型是否相等

尾返回类型推导

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// before C++ 11
template<typename R, typename T, typename U>
R add(T x, U y) {
return x+y
}

// after C++ 11
template<typename T, typename U>
auto add2(T x, U y) -> decltype(x+y){
return x + y;
}

区间 for 迭代

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#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

int main() {
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
if (auto itr = std::find(vec.begin(), vec.end(), 3); itr != vec.end()) *itr = 4;
for (auto element : vec)
std::cout << element << std::endl; // read only
for (auto &element : vec) {
element += 1; // writeable
}
for (auto element : vec)
std::cout << element << std::endl; // read only
}

外部模板

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template class std::vector<bool>;          // 强行实例化
extern template class std::vector<double>; // 不在该当前编译文件中实例化模板

尖括号 “>”

在传统 C++ 的编译器中,>>一律被当做右移运算符来进行处理。但实际上我们很容易就写出了嵌套模板的代码:

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std::vector<std::vector<int>> matrix;

这在传统C++编译器下是不能够被编译的,而 C++11 开始,连续的右尖括号将变得合法,并且能够顺利通过编译。

类型别名模板

在传统 C++ 中,typedef 可以为类型定义一个新的名称,但是却没有办法为模板定义一个新的名称。C++11 使用 using 引入了下面这种形式的写法,并且同时支持对传统 typedef 相同的功效:

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template<typename T, typename U>
class MagicType {
public:
T dark;
U magic;
};

// 不合法
template<typename T>
typedef MagicType<std::vector<T>, std::string> FakeDarkMagic;

typedef int (*process)(void *);
using NewProcess = int(*)(void *);

template<typename T>
using TrueDarkMagic = MagicType<std::vector<T>, std::string>;

TrueDarkMagic<bool> you;

默认模板参数

在 C++11 中提供了一种便利,可以指定模板的默认参数:

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template<typename T = int, typename U = int>
auto add(T x, U y) -> decltype(x+y) {
return x+y;
}

变长参数模板

在 C++11 之前,无论是类模板还是函数模板,都只能按其指定的样子,接受一组固定数量的模板参数;而 C++11 加入了新的表示方法,允许任意个数、任意类别的模板参数,同时也不需要在定义时将参数的个数固定。

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template<typename... Ts> class Magic;

class Magic<> darkMagic1;
class Magic<int, std::vector<int>, std::map<std::string, std::vector<int>>> darkMagic2;

委托构造

C++11 引入了委托构造的概念,这使得构造函数可以在同一个类中一个构造函数调用另一个构造函数,从而达到简化代码的目的。

继承构造

在传统 C++ 中,构造函数如果需要继承是需要将参数一一传递的,这将导致效率低下。C++11 利用关键字 using 引入了继承构造函数的概念:

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#include <iostream>
class Base
{
public:
int value1;
int value2;
Base()
{
std::cout << "base()" << std::endl;
value1 = 1;
}
Base(int value) : Base()
{ // 委托 Base() 构造函数
std::cout << "base(value)" << std::endl;
value2 = value;
}
};
class Subclass : public Base
{
public:
using Base::Base; // 继承构造
};
int main()
{
Subclass s(5);
std::cout << s.value1 << std::endl;
std::cout << s.value2 << std::endl;

// 输出
// base()
// base(value)
// 1
// 5
}

override

当重载虚函数时,引入 override 关键字将显式的告知编译器进行重载,编译器将检查基函数是否存在这样的虚函数,否则将无法通过编译:

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struct Base {
virtual void foo(int);
};
struct SubClass: Base {
virtual void foo(int) override; // 合法
virtual void foo(float) override; // 非法, 父类没有此虚函数
};

final

final 则是为了防止类被继续继承以及终止虚函数继续重载引入的。

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struct Base {
virtual void foo() final;
};
struct SubClass1 final: Base {
}; // 合法

struct SubClass2 : SubClass1 {
}; // 非法, SubClass1 已 final

struct SubClass3: Base {
void foo(); // 非法, foo 已 final
};

显式禁用默认函数

在传统 C++ 中,如果程序员没有提供,编译器会默认为对象生成默认构造函数、复制构造、赋值算符以及析构函数。另外,C++ 也为所有类定义了诸如 new delete 这样的运算符。当程序员有需要时,可以重载这部分函数。
这就引发了一些需求:无法精确控制默认函数的生成行为。例如禁止类的拷贝时,必须将复制构造函数与赋值算符声明为 private。尝试使用这些未定义的函数将导致编译或链接错误,则是一种非常不优雅的方式。
并且,编译器产生的默认构造函数与用户定义的构造函数无法同时存在。若用户定义了任何构造函数,编译器将不再生成默认构造函数,但有时候我们却希望同时拥有这两种构造函数,这就造成了尴尬。
C++11 提供了上述需求的解决方案,允许显式的声明采用或拒绝编译器自带的函数。例如:

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class Magic {
public:
Magic() = default; // 显式声明使用编译器生成的构造
Magic& operator=(const Magic&) = delete; // 显式声明拒绝编译器生成构造
Magic(int magic_number);
}

强类型枚举

在传统 C++中,枚举类型并非类型安全,枚举类型会被视作整数,则会让两种完全不同的枚举类型可以进行直接的比较(虽然编译器给出了检查,但并非所有),甚至同一个命名空间中的不同枚举类型的枚举值名字不能相同,这通常不是我们希望看到的结果。
C++11 引入了枚举类(enumaration class),并使用 enum class 的语法进行声明:

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enum class new_enum : unsigned int {
value1,
value2,
value3 = 100,
value4 = 100
};

这样定义的枚举实现了类型安全,首先他不能够被隐式的转换为整数,同时也不能够将其与整数数字进行比较,更不可能对不同的枚举类型的枚举值进行比较。但相同枚举值之间如果指定的值相同,那么可以进行比较:

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if (new_enum::value3 == new_enum::value4) {
// 会输出
std::cout << "new_enum::value3 == new_enum::value4" << std::endl;
}

在这个语法中,枚举类型后面使用了冒号及类型关键字来指定枚举中枚举值的类型,这使得我们能够为枚举赋值(未指定时将默认使用 int)。
而我们希望获得枚举值的值时,将必须显式的进行类型转换。

语言运行期的强化

Lambda 表达式

Lambda 表达式是 C++11 中最重要的新特性之一,而 Lambda 表达式,实际上就是提供了一个类似匿名函数的特性,而匿名函数则是在需要一个函数,但是又不想费力去命名一个函数的情况下去使用的。这样的场景其实有很多很多,所以匿名函数几乎是现代编程语言的标配。
Lambda 表达式的基本语法如下:

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[捕获列表](参数列表) mutable(可选) 异常属性 -> 返回类型 {
// 函数体
}

根据传递的行为,捕获列表也分为以下几种:
1. 值捕获:与参数传值类似,值捕获的前提是变量可以拷贝。捕获的变量在 lambda 表达式被创建时拷贝,而非调用时才拷贝
2. 引用捕获:与引用传参类似,引用捕获保存的是引用,值会发生变化。
3. 隐式捕获:手动书写捕获列表有时候是非常复杂的,这种机械性的工作可以交给编译器来处理,这时候可以在捕获列表中写一个 &= 向编译器声明采用 引用捕获或者值捕获:

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void learn_lambda_func_1() {
int value_1 = 1;
auto copy_value_1 = [value_1] {
return value_1;
};
value_1 = 100;
auto stored_value_1 = copy_value_1();
std::cout << "stored_value_1=" << stored_value_1 << std::endl;
// 这时, stored_value_1 == 1, 而 value_1 == 100.
// 因为 copy_value_1 在创建时就保存了一份 value_1 的拷贝

int value_2 = 1;
auto copy_value_2 = [&value_2] {
return value_2;
};
value_2 = 100;
auto stored_value_2 = copy_value_2();
std::cout << "stored_value_2=" << stored_value_2 << std::endl;
// 这时, stored_value_2 == 100, value_2 == 100.
// 因为 copy_value_2 保存的是引用
}

std::function

C++11 std::function 是一种通用、多态的函数封装,它的实例可以对任何可以调用的目标实体进行存储、复制和调用操作,它也是对 C++中现有的可调用实体的一种类型安全的包裹(相对来说,函数指针的调用不是类型安全的),换句话说,就是函数的容器。当我们有了函数的容器之后便能够更加方便的将函数、函数指针作为对象进行处理。例如:

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#include <functional>
#include <iostream>

int foo(int para) {
return para;
}

int main() {
// std::function 包装了一个返回值为 int, 参数为 int 的函数
std::function<int(int)> func = foo;

int important = 10;
std::function<int(int)> func2 = [&](int value) -> int {
return 1+value+important;
};
std::cout << func(10) << std::endl;
std::cout << func2(10) << std::endl;
}

std::bind/std::placeholder

std::bind 则是用来绑定函数调用的参数的,它解决的需求是我们有时候可能并不一定能够一次性获得调用某个函数的全部参数,通过这个函数,我们可以将部分调用参数提前绑定到函数身上成为一个新的对象,然后在参数齐全后,完成调用。例如:

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int foo(int a, int b, int c) {
;
}
int main() {
// 将参数1,2绑定到函数 foo 上,但是使用 std::placeholders::_1 来对第一个参数进行占位
auto bindFoo = std::bind(foo, std::placeholders::_1, 1,2);
// 这时调用 bindFoo 时,只需要提供第一个参数即可
bindFoo(1);
}

右值引用

右值引用是 C++11 引入的与 Lambda 表达式齐名的重要特性之一。它的引入解决了 C++ 中大量的历史遗留问题,消除了诸如 std::vectorstd::string 之类的额外开销,也才使得函数对象容器 std::function 成为了可能。
要弄明白右值引用到底是怎么一回事,必须要对左值和右值做一个明确的理解。
左值(lvalue, left value),顾名思义就是赋值符号左边的值。准确来说,左值是表达式(不一定是赋值表达式)后依然存在的持久对象。
右值(rvalue, right value),右边的值,是指表达式结束后就不再存在的临时对象。
而 C++11 中为了引入强大的右值引用,将右值的概念进行了进一步的划分,分为:纯右值、将亡值。
纯右值(prvalue, pure rvalue),纯粹的右值,要么是纯粹的字面量,例如 10, true;要么是求值结果相当于字面量或匿名临时对象,例如 1+2。非引用返回的临时变量、运算表达式产生的临时变量、原始字面量、Lambda 表达式都属于纯右值。
将亡值(xvalue, expiring value),是 C++11 为了引入右值引用而提出的概念(因此在传统 C++中,纯右值和右值是同一个概念),也就是即将被销毁、却能够被移动的值。

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std::vector<int> foo() {
std::vector<int> temp = {1, 2, 3, 4};
return temp;
}

std::vector<int> v = foo(); // temp为将亡值

右值引用和左值引用

需要拿到一个将亡值,就需要用到右值引用的申明:T &&,其中 T 是类型。右值引用的声明让这个临时值的生命周期得以延长、只要变量还活着,那么将亡值将继续存活。
C++11 提供了 std::move 这个方法将左值参数无条件的转换为右值,有了它我们就能够方便的获得一个右值临时对象。

移动语义

传统 C++ 通过拷贝构造函数和赋值操作符为类对象设计了拷贝/复制的概念,但为了实现对资源的移动操作,调用者必须使用先复制、再析构的方式,否则就需要自己实现移动对象的接口。

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#include <iostream> // std::cout
#include <utility> // std::move
#include <vector> // std::vector
#include <string> // std::string

int main() {

std::string str = "Hello world.";
std::vector<std::string> v;

// 将使用 push_back(const T&), 即产生拷贝行为
v.push_back(str);
// 将输出 "str: Hello world."
std::cout << "str: " << str << std::endl;

// 将使用 push_back(const T&&), 不会出现拷贝行为
// 而整个字符串会被移动到 vector 中,所以有时候 std::move 会用来减少拷贝出现的开销
// 这步操作后, str 中的值会变为空
v.push_back(std::move(str));
// 将输出 "str: "
std::cout << "str: " << str << std::endl;

return 0;
}

容器

C++11 新增的容器有,详细请见STL 容器
std::arraystd::forward_list
std::unordered_map/std::unordered_multimap
std::unordered_set/std::unordered_multiset

元组 std::tuple

了解过 Python 的程序员应该知道元组的概念,纵观传统 C++ 中的容器,除了 std::pair 外,似乎没有现成的结构能够用来存放不同类型的数据(通常我们会自己定义结构)。但 std::pair 的缺陷是显而易见的,只能保存两个元素。
关于元组的使用有三个核心的函数:

  1. std::make_tuple: 构造元组
  2. std::get: 获得元组某个位置的值
  3. std::tie: 元组拆包
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    #include <tuple>
    #include <iostream>

    auto get_student(int id)
    {
    // 返回类型被推断为 std::tuple<double, char, std::string>

    if (id == 0)
    return std::make_tuple(3.8, 'A', "张三");
    if (id == 1)
    return std::make_tuple(2.9, 'C', "李四");
    if (id == 2)
    return std::make_tuple(1.7, 'D', "王五");
    return std::make_tuple(0.0, 'D', "null");
    // 如果只写 0 会出现推断错误, 编译失败
    }

    int main()
    {
    auto student = get_student(0);
    std::cout << "ID: 0, "
    << "GPA: " << std::get<0>(student) << ", "
    << "成绩: " << std::get<1>(student) << ", "
    << "姓名: " << std::get<2>(student) << '\n';

    double gpa;
    char grade;
    std::string name;

    // 元组进行拆包
    std::tie(gpa, grade, name) = get_student(1);
    std::cout << "ID: 1, "
    << "GPA: " << gpa << ", "
    << "成绩: " << grade << ", "
    << "姓名: " << name << '\n';
    }

智能指针

了解 Objective-C/Swift 的程序员应该知道引用计数的概念。引用计数这种计数是为了防止内存泄露而产生的。基本想法是对于动态分配的对象,进行引用计数,每当增加一次对同一个对象的引用,那么引用对象的引用计数就会增加一次,每删除一次引用,引用计数就会减一,当一个对象的引用计数减为零时,就自动删除指向的堆内存。

在传统 C++ 中,『记得』手动释放资源,总不是最佳实践。因为我们很有可能就忘记了去释放资源而导致泄露。所以通常的做法是对于一个对象而言,我们在构造函数的时候申请空间,而在析构函数(在离开作用域时调用)的时候释放空间,也就是我们常说的 RAII 资源获取即初始化技术。

凡事都有例外,我们总会有需要将对象在自由存储上分配的需求,在传统 C++ 里我们只好使用 newdelete 去『记得』对资源进行释放。而 C++11 引入了智能指针的概念,使用了引用计数的想法,让程序员不再需要关心手动释放内存。这些智能指针就包括 std::shared_ptr/std::unique_ptr/std::weak_ptr,使用它们需要包含头文件 <memory>

注意:引用计数不是垃圾回收,引用计数能够尽快收回不再被使用的对象,同时在回收的过程中也不会造成长时间的等待,更能够清晰明确的表明资源的生命周期。

std::shared_ptr

std::shared_ptr 是一种智能指针,它能够记录多少个 shared_ptr 共同指向一个对象,从而消除显示的调用 delete,当引用计数变为零的时候就会将对象自动删除。

但还不够,因为使用 std::shared_ptr 仍然需要使用 new 来调用,这使得代码出现了某种程度上的不对称。

std::make_shared 就能够用来消除显式的使用 new,所以std::make_shared 会分配创建传入参数中的对象,并返回这个对象类型的std::shared_ptr指针。例如:

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#include <iostream>
#include <memory>
void foo(std::shared_ptr<int> i)
{
(*i)++;
}
int main()
{
// auto pointer = new int(10); // 非法, 不允许直接赋值
// 构造了一个 std::shared_ptr
auto pointer = std::make_shared<int>(10);
foo(pointer);
std::cout << *pointer << std::endl; // 11
// 离开作用域前,shared_ptr 会被析构,从而释放内存
return 0;
}

std::shared_ptr 可以通过 get() 方法来获取原始指针,通过 reset() 来减少一个引用计数,并通过use_count()来查看一个对象的引用计数。例如:

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auto pointer = std::make_shared<int>(10);
auto pointer2 = pointer; // 引用计数+1
auto pointer3 = pointer; // 引用计数+1
int *p = pointer.get(); // 这样不会增加引用计数
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 3
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 3
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 3

pointer2.reset();
std::cout << "reset pointer2:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 2
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0, pointer2 已 reset
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 2
pointer3.reset();
std::cout << "reset pointer3:" << std::endl;
std::cout << "pointer.use_count() = " << pointer.use_count() << std::endl; // 1
std::cout << "pointer2.use_count() = " << pointer2.use_count() << std::endl; // 0
std::cout << "pointer3.use_count() = " << pointer3.use_count() << std::endl; // 0, pointer3 已 reset

std::unique_ptr

std::unique_ptr 是一种独占的智能指针,它禁止其他智能指针与其共享同一个对象,从而保证代码的安全:

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std::unique_ptr<int> pointer = std::make_unique<int>(10); // make_unique 从 C++14 引入
std::unique_ptr<int> pointer2 = pointer; // 非法

make_unique 并不复杂,C++11 没有提供 std::make_unique,可以自行实现:

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template<typename T, typename ...Args>
std::unique_ptr<T> make_unique( Args&& ...args ) {
return std::unique_ptr<T>( new T( std::forward<Args>(args)... ) );
}

至于为什么没有提供,C++ 标准委员会主席 Herb Sutter 在他的博客中提到原因是因为『被他们忘记了』。

既然是独占,换句话说就是不可复制。但是,我们可以利用 std::move 将其转移给其他的 unique_ptr,例如:

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#include <iostream>
#include <memory>

struct Foo {
Foo() { std::cout << "Foo::Foo" << std::endl; }
~Foo() { std::cout << "Foo::~Foo" << std::endl; }
void foo() { std::cout << "Foo::foo" << std::endl; }
};

void f(const Foo &) {
std::cout << "f(const Foo&)" << std::endl;
}

int main() {
std::unique_ptr<Foo> p(new Foo()); // 直接初始化
std::unique_ptr<Foo> p1(std::make_unique<Foo>());
// p1 不空, 输出
if (p1) p1->foo();
{
std::unique_ptr<Foo> p2(std::move(p1));
// p2 不空, 输出
f(*p2);
// p2 不空, 输出
if(p2) p2->foo();
// p1 为空, 无输出
if(p1) p1->foo();
p1 = std::move(p2);
// p2 为空, 无输出
if(p2) p2->foo();
std::cout << "p2 被销毁" << std::endl;
}
// p1 不空, 输出
if (p1) p1->foo();
// Foo 的实例会在离开作用域时被销毁
}

std::weak_ptr

如果你仔细思考 std::shared_ptr 就会发现依然存在着资源无法释放的问题。看下面这个例子:

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struct A;
struct B;

struct A {
std::shared_ptr<B> pointer;
~A() {
std::cout << "A 被销毁" << std::end;
}
};
struct B {
std::shared_ptr<A> pointer;
~B() {
std::cout << "B 被销毁" << std::end;
}
};
int main() {
auto a = std::make_shared<A>();
auto b = std::make_shared<B>();
a.pointer = b;
b.pointer = a;
}

运行结果是 A, B 都不会被销毁,这是因为 a,b 内部的 pointer 同时又引用了 a,b,这使得 a,b 的引用计数均变为了 2,而离开作用域时,a,b 智能指针被析构,却只能造成这块区域的引用计数减一,这样就导致了 a,b 对象指向的内存区域引用计数不为零,而外部已经没有办法找到这块区域了,也就造成了内存泄露,如图所示:

解决这个问题的办法就是使用弱引用指针 std::weak_ptrstd::weak_ptr是一种弱引用(相比较而言 std::shared_ptr 就是一种强引用)。弱引用不会引起引用计数增加,当换用弱引用时候,最终的释放流程如下图所示:

在上图中,最后一步只剩下 B,而 B 并没有任何智能指针引用它,因此这块内存资源也会被释放。

std::weak_ptr 没有 * 运算符和 -> 运算符,所以不能够对资源进行操作,它的唯一作用就是用于检查 std::shared_ptr 是否存在,其 expired() 方法能在资源未被释放时,会返回 true,否则返回 false

正则表达式

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#include <iostream>
#include <string>
#include <regex>

int main() {
std::string fnames[] = {"foo.txt", "bar.txt", "test", "a0.txt", "AAA.txt"};
// 在 C++ 中 `\` 会被作为字符串内的转义符,为使 `\.` 作为正则表达式传递进去生效,需要对 `\` 进行二次转义,从而有 `\\.`
std::regex txt_regex("[a-z]+\\.txt");
for (const auto &fname: fnames)
std::cout << fname << ": " << std::regex_match(fname, txt_regex) << std::endl;

std::regex base_regex("([a-z]+)\\.txt");
std::smatch base_match;
for(const auto &fname: fnames) {
if (std::regex_match(fname, base_match, base_regex)) {
// sub_match 的第一个元素匹配整个字符串
// sub_match 的第二个元素匹配了第一个括号表达式
if (base_match.size() == 2) {
std::string base = base_match[1].str();
std::cout << "sub-match[0]: " << base_match[0].str() << std::endl;
std::cout << fname << " sub-match[1]: " << base << std::endl;
}
}
}

return 0;
}

线程与并发

std::thread

std::thread 用于创建一个执行的线程实例,所以它是一切并发编程的基础,使用时需要包含 <thread> 头文件,它提供了很多基本的线程操作,例如get_id()来获取所创建线程的线程 ID,例如使用 join() 来加入一个线程等等,例如:

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#include <iostream>
#include <thread>
void foo() {
std::cout << "hello world" << std::endl;
}
int main() {
std::thread t(foo);
t.join();
return 0;
}

std::mutex, std::unique_lock

我们在操作系统的相关知识中已经了解过了有关并发技术的基本知识,mutex 就是其中的核心之一。C++11引入了 mutex 相关的类,其所有相关的函数都放在 <mutex> 头文件中。

std::mutex 是 C++11 中最基本的 mutex 类,通过实例化 std::mutex 可以创建互斥量,而通过其成员函数 lock() 可以进行上锁,unlock() 可以进行解锁。但是在在实际编写代码的过程中,最好不去直接调用成员函数,因为调用成员函数就需要在每个临界区的出口处调用 unlock(),当然,还包括异常。这时候 C++11 还为互斥量提供了一个 RAII 语法的模板类std::lock_gurad。RAII 在不失代码简洁性的同时,很好的保证了代码的异常安全性。

在 RAII 用法下,对于临界区的互斥量的创建只需要在作用域的开始部分,例如:

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void some_operation(const std::string &message) {
static std::mutex mutex;
std::lock_guard<std::mutex> lock(mutex);

// ...操作

// 当离开这个作用域的时候,互斥锁会被析构,同时unlock互斥锁
// 因此这个函数内部的可以认为是临界区
}

由于 C++保证了所有栈对象在声明周期结束时会被销毁,所以这样的代码也是异常安全的。无论 some_operation() 正常返回、还是在中途抛出异常,都会引发堆栈回退,也就自动调用了 unlock()

std::unique_lock 则相对于 std::lock_guard 出现的,std::unique_lock 更加灵活,std::unique_lock 的对象会以独占所有权(没有其他的 unique_lock 对象同时拥有某个 mutex 对象的所有权)的方式管理 mutex 对象上的上锁和解锁的操作。所以在并发编程中,推荐使用 std::unique_lock

std::lock_guard 不能显式的调用 lockunlock, 而 std::unique_lock 可以在声明后的任意位置调用 ,可以缩小锁的作用范围,提供更高的并发度。

如果你用到了条件变量 std::condition_variable::wait 则必须使用 std::unique_lock 作为参数。

例如:

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#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void block_area() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx);
//...临界区
lock.unlock();
   //...some other code
lock.lock(); // can lock again
}
int main() {
std::thread thd1(block_area);

thd1.join();

return 0;
}

std::future, std::packaged_task

std::future 则是提供了一个访问异步操作结果的途径,这句话很不好理解。为了理解这个特性,我们需要先理解一下在 C++11之前的多线程行为。

试想,如果我们的主线程 A 希望新开辟一个线程 B 去执行某个我们预期的任务,并返回我一个结果。而这时候,线程 A 可能正在忙其他的事情,无暇顾及 B 的结果,所以我们会很自然的希望能够在某个特定的时间获得线程 B 的结果。

在 C++11 的 std::future 被引入之前,通常的做法是:创建一个线程A,在线程A里启动任务 B,当准备完毕后发送一个事件,并将结果保存在全局变量中。而主函数线程 A 里正在做其他的事情,当需要结果的时候,调用一个线程等待函数来获得执行的结果。

而 C++11 提供的 std::future 简化了这个流程,可以用来获取异步任务的结果。自然地,我们很容易能够想象到把它作为一种简单的线程同步手段。

此外,std::packaged_task 可以用来封装任何可以调用的目标,从而用于实现异步的调用。例如:

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#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>

int main()
{
// 将一个返回值为7的 lambda 表达式封装到 task 中
// std::packaged_task 的模板参数为要封装函数的类型
std::packaged_task<int()> task([](){return 7;});
// 获得 task 的 future
std::future<int> result = task.get_future(); // 在一个线程中执行 task
std::thread(std::move(task)).detach(); std::cout << "Waiting...";
result.wait();
// 输出执行结果
std::cout << "Done!" << std:: endl << "Result is " << result.get() << '\n';
}

在封装好要调用的目标后,可以使用 get_future() 来获得一个 std::future 对象,以便之后实施线程同步。

std::condition_variable

std::condition_variable 是为了解决死锁而生的。当互斥操作不够用而引入的。比如,线程可能需要等待某个条件为真才能继续执行,而一个忙等待循环中可能会导致所有其他线程都无法进入临界区使得条件为真时,就会发生死锁。所以,condition_variable 实例被创建出现主要就是用于唤醒等待线程从而避免死锁。std::condition_variablenotify_one() 用于唤醒一个线程;notify_all() 则是通知所有线程。下面是一个生产者和消费者模型的例子:

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#include <condition_variable>
#include <mutex>
#include <thread>
#include <iostream>
#include <queue>
#include <chrono>

int main()
{
// 生产者数量
std::queue<int> produced_nums;
// 互斥锁
std::mutex m;
// 条件变量
std::condition_variable cond_var;
// 结束标志
bool done = false;
// 通知标志
bool notified = false;

// 生产者线程
std::thread producer([&]() {
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
// 创建互斥锁
std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
std::cout << "producing " << i << '\n';
produced_nums.push(i);
notified = true;
// 通知一个线程
cond_var.notify_one();
}
done = true;
notified = true;
cond_var.notify_one();
});

// 消费者线程
std::thread consumer([&]() {
std::unique_lock<std::mutex> lock(m);
while (!done) {
while (!notified) { // 循环避免虚假唤醒
cond_var.wait(lock);
}
while (!produced_nums.empty()) {
std::cout << "consuming " << produced_nums.front() << '\n';
produced_nums.pop();
}
notified = false;
}
});

producer.join();
consumer.join();
}

其他杂项

long long int

long long int 并不是 C++11 最先引入的,其实早在 C99,long long int 就已经被纳入 C 标准中,所以大部分的编译器早已支持。C++11 的工作则是正式把它纳入标准库,规定了一个 long long int 类型至少具备 64 位的比特数。

noexcept 的修饰和操作

C++ 相比于 C 的一大优势就在于 C++ 本身就定义了一套完整的异常处理机制。然而在 C++11 之前,几乎没有人去使用在函数名后书写异常声明表达式,从 C++11 开始,这套机制被弃用,所以我们不去讨论也不去介绍以前这套机制是如何工作如何使用,你更不应该主动去了解它。

C++11 将异常的声明简化为以下两种情况:

  1. 函数可能抛出任何异常
  2. 函数不能抛出任何异常

并使用 noexcept 对这两种行为进行限制,例如:

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void may_throw(); // 可能抛出异常
void no_throw() noexcept; // 不可能抛出异常

使用 noexcept 修饰过的函数如果抛出异常,编译器会使用 std::terminate() 来立即终止程序运行。

noexcept 还能够做操作符,用于操作一个表达式,当表达式无异常时,返回 true,否则返回 false

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#include <iostream>
void may_throw() {
throw true;
}
auto non_block_throw = []{
may_throw();
};
void no_throw() noexcept {
return;
}

auto block_throw = []() noexcept {
no_throw();
};
int main()
{
std::cout << std::boolalpha
<< "may_throw() noexcept? " << noexcept(may_throw()) << std::endl
<< "no_throw() noexcept? " << noexcept(no_throw()) << std::endl
<< "lmay_throw() noexcept? " << noexcept(non_block_throw()) << std::endl
<< "lno_throw() noexcept? " << noexcept(block_throw()) << std::endl;
return 0;
}

noexcept 修饰完一个函数之后能够起到封锁异常扩散的功效,如果内部产生异常,外部也不会触发。例如:

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try {
may_throw();
} catch (...) {
std::cout << "捕获异常, 来自 my_throw()" << std::endl;
}
try {
non_block_throw();
} catch (...) {
std::cout << "捕获异常, 来自 non_block_throw()" << std::endl;
}
try {
block_throw();
} catch (...) {
std::cout << "捕获异常, 来自 block_throw()" << std::endl;
}

最终输出为:

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捕获异常, 来自 my_throw()
捕获异常, 来自 non_block_throw()

原始字符串字面量

传统 C++ 里面要编写一个充满特殊字符的字符串其实是非常痛苦的一件事情,比如一个包含 HTML 本体的字符串需要添加大量的转义符,例如一个Windows 上的文件路径经常会:C:\\What\\The\\Fxxk

C++11 提供了原始字符串字面量的写法,可以在一个字符串前方使用 R 来修饰这个字符串,同时,将原始字符串使用括号包裹,例如:

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#include <iostream>
#include <string>

int main() {
std::string str = R"(C:\\What\\The\\Fxxk)";
std::cout << str << std::endl;
return 0;
}

自定义字面量

C++11 引进了自定义字面量的能力,通过重载双引号后缀运算符实现:

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// 字符串字面量自定义必须设置如下的参数列表
std::string operator"" _wow1(const char *wow1, size_t len) {
return std::string(wow1)+"woooooooooow, amazing";
}

std::string operator"" _wow2 (unsigned long long i) {
return std::to_string(i)+"woooooooooow, amazing";
}

int main() {
auto str = "abc"_wow1;
auto num = 1_wow2;
std::cout << str << std::endl;
std::cout << num << std::endl;
return 0;
}

自定义字面量支持四种字面量:

  1. 整型字面量:重载时必须使用 unsigned long longconst char *、模板字面量算符参数,在上面的代码中使用的是前者;
  2. 浮点型字面量:重载时必须使用 long doubleconst char *、模板字面量算符;
  3. 字符串字面量:必须使用 (const char *, size_t) 形式的参数表;
  4. 字符字面量:参数只能是 char, wchar_t, char16_t, char32_t 这几种类型。
您的支持将鼓励我继续创作!
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