C++11、C++14、C，Golang0基础

对于 lambda 匿名函数的使用，令多数初学者感到困惑的就是 [外部变量] 的使用。其实很简单，无非表 1 所示的这几种编写格式。

外部变量格式	功能
[]	空方括号表示当前 lambda 匿名函数中不导入任何外部变量。
[=]	只有一个 = 等号，表示以值传递的方式导入所有外部变量；
[&]	只有一个 & 符号，表示以引用传递的方式导入所有外部变量；
[val1,val2,…]	表示以值传递的方式导入 val1、val2 等指定的外部变量，同时多个变量之间没有先后次序；
[&val1,&val2,…]	表示以引用传递的方式导入 val1、val2等指定的外部变量，多个变量之间没有前后次序；
[val,&val2,…]	以上 2 种方式还可以混合使用，变量之间没有前后次序。
[=,&val1,…]	表示除 val1 以引用传递的方式导入外，其它外部变量都以值传递的方式导入。
[this]	表示以值传递的方式导入当前的 this 指针。

注意，单个外部变量不允许以相同的传递方式导入多次。例如 [=，val1] 中，val1 先后被以值传递的方式导入了 2 次，这是非法的。

【例 1】lambda 匿名函数的定义和使用。

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
int main()
{
    int num[4] = {4, 2, 3, 1};
    //对 a 数组中的元素进行排序
    sort(num, num+4, [=](int x, int y) -> bool{ return x < y; } );
    for(int n : num){
        cout << n << " ";
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

1 2 3 4

程序第 9 行通过调用 sort() 函数实现了对 num 数组中元素的升序排序，其中就用到了 lambda 匿名函数。而如果使用普通函数，需以如下代码实现：

#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
//自定义的升序排序规则
bool sort\_up(int x,int y){
return  x < y;
}
int main()
{
    int num[4] = {4, 2, 3, 1};
    //对 a 数组中的元素进行排序
    sort(num, num+4, sort_up);
    for(int n : num){
        cout << n << " ";
    }
    return 0;
}

此程序中 sort_up() 函数的功能和上一个程序中的 lambda 匿名函数完全相同。显然在类似的场景中，使用 lambda 匿名函数更有优势。

除此之外，虽然 lambda 匿名函数没有函数名称，但我们仍可以为其手动设置一个名称，比如：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    //display 即为 lambda 匿名函数的函数名
    auto display = [](int a,int b) -> void{cout << a << " " << b;};
    //调用 lambda 函数
    display(10,20);
    return 0;
}

程序执行结果为：

10 20

可以看到，程序中使用 auto 关键字为 lambda 匿名函数设定了一个函数名，由此我们即可在作用域内调用该函数。

【例 2】值传递和引用传递的区别

#include <iostream>
using namespace std;
//全局变量
int all_num = 0;
int main()
{
    //局部变量
    int num_1 = 1;
    int num_2 = 2;
    int num_3 = 3;
    cout << "lambda1:\n";
    auto lambda1 = [=]{
        //全局变量可以访问甚至修改
        all_num = 10;
        //函数体内只能使用外部变量，而无法对它们进行修改
        cout << num_1 << " "
             << num_2 << " "
             << num_3 << endl;
    };
    lambda1();
    cout << all_num <<endl;
    cout << "lambda2:\n";
    auto lambda2 = [&]{
        all_num = 100;
        num_1 = 10;
        num_2 = 20;
        num_3 = 30;
        cout << num_1 << " "
             << num_2 << " "
             << num_3 << endl;
    };
    lambda2();
    cout << all_num << endl;
    return 0;
}

程序执行结果为：

lambda1:
1 2 3
10
lambda2:
10 20 30
100

可以看到，在创建 lambda1 和 lambda2 匿名函数的作用域中，有 num_1、num_2 和 num_3 这 3 个局部变量，另外还有 all_num 全局变量。

其中，lambda1 匿名函数是以 [=] 值传递的方式导入的局部变量，这意味着默认情况下，此函数内部无法修改这 3 个局部变量的值，但全局变量 all_num 除外。相对地，lambda2 匿名函数以 [&] 引用传递的方式导入这 3 个局部变量，因此在该函数的内部不就可以访问这 3 个局部变量，还可以任意修改它们。同样，也可以访问甚至修改全局变量。

感兴趣的读者，可自行尝试在 lambda1 匿名函数中修改 num_1、num_2 或者 num_3 的值，观察编译器的报错信息。

当然，如果我们想在 lambda1 匿名函数的基础上修改外部变量的值，可以借助 mutable 关键字，例如：

auto lambda1 = [=]() mutable{
    num_1 = 10;
    num_2 = 20;
    num_3 = 30;
    //函数体内只能使用外部变量，而无法对它们进行修改
    cout << num_1 << " "
         << num_2 << " "
         << num_3 << endl;
};

由此，就可以在 lambda1 匿名函数中修改外部变量的值。但需要注意的是，这里修改的仅是 num_1、num_2、num_3 拷贝的那一份的值，真正外部变量的值并不会发生改变。

【例 3】执行抛出异常类型

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    auto except = []()throw(int) {
        throw 10;
    };
    try {
        except();
    }
    catch (int) {
        cout << "捕获到了整形异常";
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

捕获到了整形异常

可以看到，except 匿名数组中指定函数体中可以抛出整形异常，因此当函数体中真正发生整形异常时，可以借助 try-catch 块成功捕获并处理。

在此基础上，在看一下反例：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    auto except1 = []()noexcept{
        throw 100;
    };
    auto except2 = []()throw(char){
        throw 10;
    };
    try{
        except1();
        except2();
    }catch(int){
        cout << "捕获到了整形异常"<< endl;
    }
    return 0;
}

此程序运行会直接崩溃，原因很简单，except1 匿名函数指定了函数体中不发生任何异常，但函数体中却发生了整形异常；except2 匿名函数指定函数体可能会发生字符异常，但函数体中却发生了整形异常。由于指定异常类型和真正发生的异常类型不匹配，导致 try-catch 无法捕获，最终程序运行崩溃。

如果不使用 noexcept 或者 throw()，则 lambda 匿名函数的函数体中允许发生任何类型的异常。

C++11非受限联合体（union）

在 C/C++ 中，联合体（Union）是一种构造数据类型。在一个联合体内，我们可以定义多个不同类型的成员，这些成员将会共享同一块内存空间。老版本的 C++ 为了和C语言保持兼容，对联合体的数据成员的类型进行了很大程度的限制，这些限制在今天看来并没有必要，因此 C++11 取消了这些限制。

C++11 标准规定，任何非引用类型都可以成为联合体的数据成员，这种联合体也被称为非受限联合体。例如：

class Student{
public:
    Student(bool g, int a): gender(g), age(a) {}
private:
    bool gender;
    int age;
};
union T{
    Student s;  // 含有非POD类型的成员，gcc-5.1.0 版本报错
    char name[10];
};
int main(){
    return 0;
}

上面的代码中，因为 Student 类带有自定义的构造函数，所以是一个非 POD 类型的，这导致编译器报错。这种规定只是 C++ 为了兼容C语言而制定，然而在长期的编程实践中发现，这种规定是没有必要的。

关于 POD 类型稍后我们会讲解，大家先不要着急。

接下来，我们具体看一下 C++11 对 C++98 的改进。

1. C++11 允许非 POD 类型

C++98 不允许联合体的成员是非 POD 类型，但是 C++1 1 取消了这种限制。

POD 是 C++ 中一个比较重要的概念，在这里我们做一个简单介绍。POD 是英文 Plain Old Data 的缩写，用来描述一个类型的属性。

POD 类型一般具有以下几种特征（包括 class、union 和 struct等）：

1. 没有用户自定义的构造函数、析构函数、拷贝构造函数和移动构造函数。
2. 不能包含虚函数和虚基类。
3. 非静态成员必须声明为 public。
4. 类中的第一个非静态成员的类型与其基类不同，例如：

class B1{};
class B2 : B1 { B1 b; };

class B2 的第一个非静态成员 b 是基类类型，所以它不是 POD 类型。

5. 在类或者结构体继承时，满足以下两种情况之一：

• 派生类中有非静态成员，且只有一个仅包含静态成员的基类；
• 基类有非静态成员，而派生类没有非静态成员。

我们来看具体的例子：

class B1 { static int n; };
class B2 : B1 { int n1; };
class B3 : B2 { static int n2; };

对于 B2，派生类 B2 中有非静态成员，且只有一个仅包含静态成员的基类 B1，所以它是 POD 类型。对于 B3，基类 B2 有非静态成员，而派生类 B3 没有非静态成员，所以它也是 POD 类型。

6. 所有非静态数据成员均和其基类也符合上述规则（递归定义），也就是说 POD 类型不能包含非 POD 类型的数据。
7. 此外，所有兼容C语言的数据类型都是 POD 类型（struct、union 等不能违背上述规则）。

2. C++11 允许联合体有静态成员

C++11 删除了联合体不允许拥有静态成员的限制。例如：

union U {
    static int func() {
        int n = 3;
        return n;
    }
};

需要注意的是，静态成员变量只能在联合体内定义，却不能在联合体外使用，这使得该规则很没用。

非受限联合体的赋值注意事项

C++11 规定，如果非受限联合体内有一个非 POD 的成员，而该成员拥有自定义的构造函数，那么这个非受限联合体的默认构造函数将被编译器删除；其他的特殊成员函数，例如默认拷贝构造函数、拷贝赋值操作符以及析构函数等，也将被删除。

这条规则可能导致对象构造失败，请看下面的例子：

#include <string>
using namespace std;
union U {
    string s;
    int n;
};
int main() {
    U u;   // 构造失败，因为 U 的构造函数被删除
    return 0;
}

在上面的例子中，因为 string 类拥有自定义的构造函数，所以 U 的构造函数被删除；定义 U 的类型变量 u 需要调用默认构造函数，所以 u 也就无法定义成功。

解决上面问题的一般需要用到 placement new（稍后会讲解这个概念），代码如下：

#include <string>
using namespace std;
union U {
    string s;
    int n;
public:
    U() { new(&s) string; }
    ~U() { s.~string(); }
};
int main() {
    U u;
    return 0;
}

构造时，采用 placement new 将 s 构造在其地址 &s 上，这里 placement new 的唯一作用只是调用了一下 string 类的构造函数。注意，在析构时还需要调用 string 类的析构函数。

placement new 是什么？

placement new 是 new 关键字的一种进阶用法，既可以在栈（stack）上生成对象，也可以在堆（heap）上生成对象。相对应地，我们把常见的 new 的用法称为 operator new，它只能在 heap 上生成对象。

placement new 的语法格式如下：

new(address) ClassConstruct(…)

address 表示已有内存的地址，该内存可以在栈上，也可以在堆上；ClassConstruct(…) 表示调用类的构造函数，如果构造函数没有参数，也可以省略括号。

placement new 利用已经申请好的内存来生成对象，它不再为对象分配新的内存，而是将对象数据放在 address 指定的内存中。在本例中，placement new 使用的是 s 的内存空间。

非受限联合体的匿名声明和“枚举式类”

匿名联合体是指不具名的联合体（也即没有名字的联合体），一般定义如下：

union U{
union { int x; }; //此联合体为匿名联合体
};

可以看到，联合体 U 内定义了一个不具名的联合体，该联合体包含一个 int 类型的成员变量，我们称这个联合体为匿名联合体。

同样的，非受限联合体也可以匿名，而当非受限的匿名联合体运用于类的声明时，这样的类被称为“枚举式类”。示例如下：

#include <cstring>
using namespace std;
class Student{
public:
    Student(bool g, int a): gender(g), age(a){}
    bool gender;
    int age;
};
class Singer {
public:
    enum Type { STUDENT, NATIVE, FOREIGENR };
    Singer(bool g, int a) : s(g, a) { t = STUDENT; }
    Singer(int i) : id(i) { t = NATIVE; }
    Singer(const char\* n, int s) {
        int size = (s > 9) ? 9 : s;
        memcpy(name , n, size);
        name[s] = '\0';
        t = FOREIGENR;
    }
    ~Singer(){}
private:
    Type t;
    union {
        Student s;
        int id;
        char name[10];
    };
};
int main() {
    Singer(true, 13);
    Singer(310217);
    Singer("J Michael", 9);
    return 0;
}

上面的代码中使用了一个匿名非受限联合体，它作为类 Singer 的“变长成员”来使用，这样的变长成员给类的编写带来了更大的灵活性，这是 C++98 标准中无法达到的（编译器会报member 'Student Singer::<anonymous union>::s' with constructor not allowed in union错误）。

C++11 for循环（基于范围的循环）详解

C++ 11标准之前（C++ 98/03 标准），如果要用 for 循环语句遍历一个数组或者容器，只能套用如下结构：

for(表达式 1; 表达式 2; 表达式 3){
//循环体
}

例如，下面程序演示了用上述结构遍历数组和容器的具体实现过程（实例一）：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string.h>
using namespace std;
int main() {
    char arc[] = "http://c.biancheng.net/cplus/11/";
    int i;
    //for循环遍历普通数组
    for (i = 0; i < strlen(arc); i++) {
        cout << arc[i];
    }
    cout << endl;
    vector<char>myvector(arc,arc+23);
    vector<char>::iterator iter;
    //for循环遍历 vector 容器
    for (iter = myvector.begin(); iter != myvector.end(); ++iter) {
        cout << \*iter;
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

c.biancheng.net/cplus/11/
c.biancheng.net/

此示例中，vector 为 STL 标准库提供的序列式容器，关于该容器的具体用法，可阅读《C++ STL vector容器详解》一节，这里不再做重复赘述。

而 C++ 11 标准中，除了可以沿用前面介绍的用法外，还为 for 循环添加了一种全新的语法格式，如下所示：

for (declaration : expression){
//循环体
}

其中，两个参数各自的含义如下：

• declaration：表示此处要定义一个变量，该变量的类型为要遍历序列中存储元素的类型。需要注意的是，C++ 11 标准中，declaration参数处定义的变量类型可以用 auto 关键字表示，该关键字可以使编译器自行推导该变量的数据类型。
• expression：表示要遍历的序列，常见的可以为事先定义好的普通数组或者容器，还可以是用 {} 大括号初始化的序列。

可以看到，同 C++ 98/03 中 for 循环的语法格式相比较，此格式并没有明确限定 for 循环的遍历范围，这是它们最大的区别，即旧格式的 for 循环可以指定循环的范围，而 C++11 标准增加的 for 循环，只会逐个遍历 expression 参数处指定序列中的每个元素。

下面程序演示了如何用 C++ 11 标准中的 for 循环遍历实例一定义的 arc 数组和 myvector 容器：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main() {
    char arc[] = "http://c.biancheng.net/cplus/11/";
    //for循环遍历普通数组
    for (char ch : arc) {
        cout << ch;
    }
    cout << '!' << endl;
    vector<char>myvector(arc, arc + 23);
    //for循环遍历 vector 容器
    for (auto ch : myvector) {
        cout << ch;
    }
    cout << '!';
    return 0;
}

程序执行结果为：

c.biancheng.net/cplus/11/ !
c.biancheng.net/!

这里有以下 2 点需要说明：

1. 程序中在遍历 myvector 容器时，定义了 auto 类型的 ch 变量，当编译器编译程序时，会通过 myvector 容器中存储的元素类型自动推导出 ch 为 char 类型。注意，这里的 ch 不是迭代器类型，而表示的是 myvector 容器中存储的每个元素。
2. 仔细观察程序的输出结果，其中第一行输出的字符串和 “!” 之间还输出有一个空格，这是因为新格式的 for 循环在遍历字符串序列时，不只是遍历到最后一个字符，还会遍历位于该字符串末尾的 ‘\0’（字符串的结束标志）。之所以第二行输出的字符串和 “!” 之间没有空格，是因为 myvector 容器中没有存储 ‘\0’。

除此之外，新语法格式的 for 循环还支持遍历用{ }大括号初始化的列表，比如：

#include <iostream>
using namespace std;
int main() {
    for (int num : {1, 2, 3, 4, 5}) {
        cout << num << " ";
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

1 2 3 4 5

另外值得一提的是，在使用新语法格式的 for 循环遍历某个序列时，如果需要遍历的同时修改序列中元素的值，实现方案是在 declaration 参数处定义引用形式的变量。举个例子：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main() {
    char arc[] = "abcde";
    vector<char>myvector(arc, arc + 5);
    //for循环遍历并修改容器中各个字符的值
    for (auto &ch : myvector) {
        ch++;
    }
    //for循环遍历输出容器中各个字符
    for (auto ch : myvector) {
        cout << ch;
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

bcdef

此程序中先后使用了 2 个新语法格式的 for 循环，其中前者用于修改 myvector 容器中各个元素的值，后者用于输出修改后的 myvector 容器中的各个元素。

有读者可能会问，declaration 参数既可以定义普通形式的变量，也可以定义引用形式的变量，应该如何选择呢？其实很简单，如果需要在遍历序列的过程中修改器内部元素的值，就必须定义引用形式的变量；反之，建议定义const &（常引用）形式的变量（避免了底层复制变量的过程，效率更高），也可以定义普通变量。

C++11 for循环使用注意事项

《C++11 for循环》一节已经详细介绍了 C++11 标准中 for 循环的基本用法。在此基础上，本节将介绍一些 for 循环的使用注意事项，帮助读者更准确高效地使用基于范围的 for 循环。

1. 首先需要明确的一点是，当使用 for 循环遍历某个序列时，无论该序列是普通数组、容器还是用{ }大括号包裹的初始化列表，遍历序列的变量都表示的是当前序列中的各个元素。

举个例子：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main() {
    //for循环遍历初始化列表
    for (int ch : {1,2,3,4,5}) {
        cout << ch;
    }
    cout << endl;
    //for循环遍历普通数组
    char arc[] = "http://c.biancheng.net/cplus/11/";
    for (char ch : arc) {
        cout << ch;
    }
    cout << endl;
    //for循环遍历 vector 容器
    vector<char>myvector(arc, arc + 23);
    for (auto ch : myvector) {
        cout << ch;
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

12345
c.biancheng.net/cplus/11/
c.biancheng.net/

上面程序演示了用 for 循环遍历 3 种序列的过程，其中前两种情况很容易理解，但对于用基于范围的 for 循环遍历容器中的元素，很多读者会将 ch 误认为指向各个元素的迭代器，其实不然，它表示的仍是容器中的各个元素。

为了加深读者对遍历容器的理解，下面程序以 map 容器为例，再举一个例子：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;
int main() {
    map<string, string>mymap{ {"C++11","http://c.biancheng.net/cplus/11/"},
                              {"Python","http://c.biancheng.net/python/"},
                              {"Java","http://c.biancheng.net/java/"} };
    for (pair<string,string> ch : mymap) {
        cout << ch.first << " " << ch.second << endl;
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

C++11 c.biancheng.net/cplus/11/
Java c.biancheng.net/java/
Python c.biancheng.net/python/

要知道，map 容器中存储的不再是普通数据类型的数据，而是 pair 类型的数据，因此程序中在使用基于范围的 for 循环遍历 map 容器时，定义的是 pair 类型的变量。

值得初学者注意的一点是，基于范围的 for 循环也可以直接遍历某个字符串，比如：

for (char ch : "http://c.biancheng.net/cplus/11/") {
    cout << ch;
}

前面提到，普通数组可以作为被遍历的序列。拿此程序中的字符串来说，其数据类型为const char[33]，即在编译器看来字符串就是一个普通数组，因此完全可以直接作为被遍历的序列。

当然，基于范围的 for 循环也可以遍历 string 类型的字符串，这种情况下冒号前定义 char 类型的变量即可。

2. 总的来说，基于范围的 for 循环可以遍历普通数组、string字符串、容器以及初始化列表。除此之外，for 循环冒号后还可以放置返回 string 字符串以及容器对象的函数，比如：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
using namespace std;
string str = "http://c.biancheng.net/cplus/11/";
vector<int> myvector = { 1,2,3,4,5 };
string retStr() {
    return str;
}
vector<int> retVector() {
    return myvector;
}
int main() {
    //遍历函数返回的 string 字符串
    for (char ch : retStr()) {
        cout << ch;
    }
    cout << endl;
    //遍历函数返回的 vector 容器
    for (int num : retVector()) {
        cout << num << " ";
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

c.biancheng.net/cplus/11/
1 2 3 4 5

注意，基于范围的 for 循环不支持遍历函数返回的以指针形式表示的数组，比如：

//错误示例
#include <iostream>
using namespace std;
char str[] = "http://c.biancheng.net/cplus/11/";
char\* retStr() {
    return str;
}
int main() {
    for (char ch : retStr()) //直接报错
    {
        cout << ch;
    }
    return 0;
}

原因很简单，此格式的 for 循环只能遍历有明确范围的一组数据，上面程序中 retStr() 函数返回的是指针变量，遍历范围并未明确指明，所以编译失败。

3. 值得一提的是，当基于范围的 for 循环遍历的是某函数返回的 string 对象或者容器时，整个遍历过程中，函数只会执行一次。

举个例子：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;
string str= "http://c.biancheng.net/cplus/11/";
string retStr() {
    cout << "retStr:" << endl;
    return str;
}
int main() {
    //遍历函数返回的 string 字符串
    for (char ch : retStr()) {
        cout << ch;
    }
    return 0;
}

程序执行结果为：

retStr:
c.biancheng.net/cplus/11/

借助执行结果不难分析出，整个 for 循环遍历 str 字符串对象的过程中，retStr() 函数仅在遍历开始前执行了 1 次。

4. 系统学过 STL 标准库的读者应该知道，基于关联式容器（包括哈希容器）底层存储机制的限制：

5. 不允许修改 map、unordered_map、multimap 以及 unordered_multimap 容器存储的键的值；

6. 不允许修改 set、unordered_set、multiset 以及 unordered_multiset 容器中存储的元素的值。

关于以上各个容器的具体用法，读者可猛击《C++ STL教程》进行系统学习。

因此，当使用基于范围的 for 循环遍历此类型容器时，切勿修改容器中不允许被修改的数据部分，否则会导致程序的执行出现各种 Bug。

另外，基于范围的 for 循环完成对容器的遍历，其底层也是借助容器的迭代器实现的。举个例子：

#include <iostream>
#include <vector>
int main(void)
{
    std::vector<int>arr = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    for (auto val : arr)
    {
        std::cout << val << std::endl;
        arr.push\_back(10); //向容器中添加元素
    }
    return 0;
}

程序执行结果可能为（输出结果不唯一）：

1
-572662307
-572662307
4
5

可以看到，程序的执行结果并不是我们想要的。就是因为在 for 循环遍历 arr 容器的同时向该容器尾部添加了新的元素（对 arr 容器进行了扩增），致使遍历容器所使用的迭代器失效，整个遍历过程出现错误。

如果读者想要彻底搞清楚程序执行失败的原因，读了解 vector 容器的底层存储机制，可阅读《C++ vector容器底层实现机制》一文。

因此，在使用基于范围的 for 循环遍历容器时，应避免在循环体中修改容器存储元素的个数。

C++11 constexpr：验证是否为常量表达式（长篇神文）

constexpr 是 C++ 11 标准新引入的关键字，不过在讲解其具体用法和功能之前，读者需要先搞清楚 C++ 常量表达式的含义。

所谓常量表达式，指的就是由多个（≥1）常量组成的表达式。换句话说，如果表达式中的成员都是常量，那么该表达式就是一个常量表达式。这也意味着，常量表达式一旦确定，其值将无法修改。

实际开发中，我们经常会用到常量表达式。以定义数组为例，数组的长度就必须是一个常量表达式：

// 1)
int url[10];//正确
// 2)
int url[6 + 4];//正确
// 3)
int length = 6;
int url[length];//错误，length是变量

上述代码演示了 3 种定义 url 数组的方式，其中第 1、2 种定义 url 数组时，长度分别为 10 和 6+4，显然它们都是常量表达式，可以用于表示数组的长度；第 3 种 url 数组的长度为 length，它是变量而非常量，因此不是一个常量表达式，无法用于表示数组的长度。

常量表达式的应用场景还有很多，比如匿名枚举、switch-case 结构中的 case 表达式等，感兴趣的读者可自行编码测试，这里不再过多举例。

我们知道，C++ 程序的执行过程大致要经历编译、链接、运行这 3 个阶段。值得一提的是，常量表达式和非常量表达式的计算时机不同，非常量表达式只能在程序运行阶段计算出结果；而常量表达式的计算往往发生在程序的编译阶段，这可以极大提高程序的执行效率，因为表达式只需要在编译阶段计算一次，节省了每次程序运行时都需要计算一次的时间。

对于用 C++ 编写的程序，性能往往是永恒的追求。那么在实际开发中，如何才能判定一个表达式是否为常量表达式，进而获得在编译阶段即可执行的“特权”呢？除了人为判定外，C++11 标准还提供有 constexpr 关键字。

constexpr 关键字的功能是使指定的常量表达式获得在程序编译阶段计算出结果的能力，而不必等到程序运行阶段。C++ 11 标准中，constexpr 可用于修饰普通变量、函数（包括模板函数）以及类的构造函数。

注意，获得在编译阶段计算出结果的能力，并不代表 constexpr 修饰的表达式一定会在程序编译阶段被执行，具体的计算时机还是编译器说了算。

constexpr修饰普通变量

C++11 标准中，定义变量时可以用 constexpr 修饰，从而使该变量获得在编译阶段即可计算出结果的能力。

值得一提的是，使用 constexpr 修改普通变量时，变量必须经过初始化且初始值必须是一个常量表达式。举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    constexpr int num = 1 + 2 + 3;
    int url[num] = {1,2,3,4,5,6};
    couts<< url[1] << endl;
    return 0;
}

程序执行结果为：

2

读者可尝试将 constexpr 删除，此时编译器会提示“url[num] 定义中 num 不可用作常量”。

可以看到，程序第 6 行使用 constexpr 修饰 num 变量，同时将 “1+2+3” 这个常量表达式赋值给 num。由此，编译器就可以在编译时期对 num 这个表达式进行计算，因为 num 可以作为定义数组时的长度。

有读者可能发现，将此示例程序中的 constexpr 用 const 关键字替换也可以正常执行，这是因为 num 的定义同时满足“num 是 const 常量且使用常量表达式为其初始化”这 2 个条件，由此编译器会认定 num 是一个常量表达式。

注意，const 和 constexpr 并不相同，关于它们的区别，我们会在下一节做详细讲解。

另外需要重点提出的是，当常量表达式中包含浮点数时，考虑到程序编译和运行所在的系统环境可能不同，常量表达式在编译阶段和运行阶段计算出的结果精度很可能会受到影响，因此 C++11 标准规定，浮点常量表达式在编译阶段计算的精度要至少等于（或者高于）运行阶段计算出的精度。

constexpr修饰函数

constexpr 还可以用于修饰函数的返回值，这样的函数又称为“常量表达式函数”。

注意，constexpr 并非可以修改任意函数的返回值。换句话说，一个函数要想成为常量表达式函数，必须满足如下 4 个条件。

1. 整个函数的函数体中，除了可以包含 using 指令、typedef 语句以及 static_assert 断言外，只能包含一条 return 返回语句。

举个例子：

constexpr int display(int x) {
    int ret = 1 + 2 + x;
    return ret;
}

注意，这个函数是无法通过编译的，因为该函数的返回值用 constexpr 修饰，但函数内部包含多条语句。

如下是正确的定义 display() 常量表达式函数的写法：

constexpr int display(int x) {
    //可以添加 using 执行、typedef 语句以及 static\_assert 断言
    return 1 + 2 + x;
}

可以看到，display() 函数的返回值是用 constexpr 修饰的 int 类型值，且该函数的函数体中只包含一个 return 语句。

2. 该函数必须有返回值，即函数的返回值类型不能是 void。

举个例子：

constexpr void display() {
    //函数体
}

像上面这样定义的返回值类型为 void 的函数，不属于常量表达式函数。原因很简单，因为通过类似的函数根本无法获得一个常量。

3. 函数在使用之前，必须有对应的定义语句。我们知道，函数的使用分为“声明”和“定义”两部分，普通的函数调用只需要提前写好该函数的声明部分即可（函数的定义部分可以放在调用位置之后甚至其它文件中），但常量表达式函数在使用前，必须要有该函数的定义。

举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//普通函数的声明
int noconst\_dis(int x);
//常量表达式函数的声明
constexpr int display(int x);
//常量表达式函数的定义
constexpr int display(int x){
    return 1 + 2 + x;
}
int main()
{
    //调用常量表达式函数
    int a[display(3)] = { 1,2,3,4 };
    cout << a[2] << endl;
    //调用普通函数
    cout << noconst\_dis(3) << endl;
    return 0;
}
//普通函数的定义
int noconst\_dis(int x) {
    return 1 + 2 + x;
}

程序执行结果为：

3
6

读者可自行将 display() 常量表达式函数的定义调整到 main() 函数之后，查看编译器的报错信息。

可以看到，普通函数在调用时，只需要保证调用位置之前有相应的声明即可；而常量表达式函数则不同，调用位置之前必须要有该函数的定义，否则会导致程序编译失败。

4. return 返回的表达式必须是常量表达式，举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
int num = 3;
constexpr int display(int x){
    return num + x;
}
int main()
{
    //调用常量表达式函数
    int a[display(3)] = { 1,2,3,4 };
    return 0;
}

该程序无法通过编译，编译器报“display(3) 的结果不是常量”的异常。

常量表达式函数的返回值必须是常量表达式的原因很简单，如果想在程序编译阶段获得某个函数返回的常量，则该函数的 return 语句中就不能包含程序运行阶段才能确定值的变量。

注意，在常量表达式函数的 return 语句中，不能包含赋值的操作（例如 return x=1 在常量表达式函数中不允许的）。另外，用 constexpr 修改函数时，函数本身也是支持递归的，感兴趣的读者可自行尝试编码测试。

constexpr修饰类的构造函数

对于 C++ 内置类型的数据，可以直接用 constexpr 修饰，但如果是自定义的数据类型（用 struct 或者 class 实现），直接用 constexpr 修饰是不行的。

举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//自定义类型的定义
constexpr struct myType {
    const char\* name;
    int age;
    //其它结构体成员
};
int main()
{
    constexpr struct myType mt { "zhangsan", 10 };
    cout << mt.name << " " << mt.age << endl;
    return 0;
}

此程序是无法通过编译的，编译器会抛出“constexpr不能修饰自定义类型”的异常。

当我们想自定义一个可产生常量的类型时，正确的做法是在该类型的内部添加一个常量构造函数。例如，修改上面的错误示例如下：

#include <iostream>
using namespace std;
//自定义类型的定义
struct myType {
    constexpr myType(char \*name,int age):name(name),age(age){};
    const char\* name;
    int age;
    //其它结构体成员
};
int main()
{
    constexpr struct myType mt { "zhangsan", 10 };
    cout << mt.name << " " << mt.age << endl;
    return 0;
}

程序执行结果为：

zhangsan 10

可以看到，在 myType 结构体中自定义有一个构造函数，借助此函数，用 constexpr 修饰的 myType 类型的 my 常量即可通过编译。

注意，constexpr 修饰类的构造函数时，要求该构造函数的函数体必须为空，且采用初始化列表的方式为各个成员赋值时，必须使用常量表达式。

前面提到，constexpr 可用于修饰函数，而类中的成员方法完全可以看做是“位于类这个命名空间中的函数”，所以 constexpr 也可以修饰类中的成员函数，只不过此函数必须满足前面提到的 4 个条件。

举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//自定义类型的定义
class myType {
public:
    constexpr myType(const char \*name,int age):name(name),age(age){};
    constexpr const char \* getname(){
        return name;
    }
    constexpr int getage(){
        return age;
    }
private:
    const char\* name;
    int age;
    //其它结构体成员
};
int main()
{
    constexpr struct myType mt { "zhangsan", 10 };
    constexpr const char \* name = mt.getname();
    constexpr int age = mt.getage();
    cout << name << " " << age << endl;
    return 0;
}

程序执行结果为：

zhangsan 10

注意，C++11 标准中，不支持用 constexpr 修饰带有 virtual 的成员方法。

constexpr修饰模板函数

C++11 语法中，constexpr 可以修饰模板函数，但由于模板中类型的不确定性，因此模板函数实例化后的函数是否符合常量表达式函数的要求也是不确定的。

针对这种情况下，C++11 标准规定，如果 constexpr 修饰的模板函数实例化结果不满足常量表达式函数的要求，则 constexpr 会被自动忽略，即该函数就等同于一个普通函数。

举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
//自定义类型的定义
struct myType {
    const char\* name;
    int age;
    //其它结构体成员
};
//模板函数
template<typename T>
constexpr T dispaly(T t){
    return t;
}
int main()
{
    struct myType stu{"zhangsan",10};
    //普通函数
    struct myType ret = dispaly(stu);
    cout << ret.name << " " << ret.age << endl;
    //常量表达式函数
    constexpr int ret1 = dispaly(10);
    cout << ret1 << endl;
    return 0;
}

程序执行结果为：

zhangsan 10
10

可以看到，示例程序中定义了一个模板函数 display()，但由于其返回值类型未定，因此在实例化之前无法判断其是否符合常量表达式函数的要求：

• 第 20 行代码处，当模板函数中以自定义结构体 myType 类型进行实例化时，由于该结构体中没有定义常量表达式构造函数，所以实例化后的函数不是常量表达式函数，此时 constexpr 是无效的；
• 第 23 行代码处，模板函数的类型 T 为 int 类型，实例化后的函数符合常量表达式函数的要求，所以该函数的返回值就是一个常量表达式。

C++11 constexpr和const的区别

《C++11 constexpr》一节中，详细讲解了 constexpr 关键字的功能和用法。一些读者在学习过程中，经常会把 const 和 constexpr 搞混，不知道什么时候用 const，什么时候用 constexpr。本节就带领大家对 const 和 constexpr 做系统地区分。

我们知道，constexpr 是 C++ 11 标准新添加的关键字，在此之前（C++ 98/03标准）只有 const 关键字，其在实际使用中经常会表现出两种不同的语义。举个例子：

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;
void dis\_1(const int x){
    //错误，x是只读的变量
    array <int,x> myarr{1,2,3,4,5};
    cout << myarr[1] << endl;
}
void dis\_2(){
    const int x = 5;
    array <int,x> myarr{1,2,3,4,5};
    cout << myarr[1] << endl;
}
int main()
{
   dis\_1(5);
   dis\_2();
}

可以看到，dis_1() 和 dis_2() 函数中都包含一个 const int x，但 dis_1() 函数中的 x 无法完成初始化 array 容器的任务，而 dis_2() 函数中的 x 却可以。

这是因为，dis_1() 函数中的“const int x”只是想强调 x 是一个只读的变量，其本质仍为变量，无法用来初始化 array 容器；而 dis_2() 函数中的“const int x”，表明 x 是一个只读变量的同时，x 还是一个值为 5 的常量，所以可以用来初始化 array 容器。

C++ 11标准中，为了解决 const 关键字的双重语义问题，保留了 const 表示“只读”的语义，而将“常量”的语义划分给了新添加的 constexpr 关键字。因此 C++11 标准中，建议将 const 和 constexpr 的功能区分开，即凡是表达“只读”语义的场景都使用 const，表达“常量”语义的场景都使用 constexpr。

在上面的实例程序中，dis_2() 函数中使用 const int x 是不规范的，应使用 constexpr 关键字。

有读者可能会问，“只读”不就意味着其不能被修改吗？答案是否定的，“只读”和“不允许被修改”之间并没有必然的联系，举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
int main()
{
    int a = 10;
    const int & con_b = a;
    cout << con_b << endl;
    a = 20;
    cout << con_b << endl;
}

程序执行结果为：

10
20

可以看到，程序中用 const 修饰了 con_b 变量，表示该变量“只读”，即无法通过变量自身去修改自己的值。但这并不意味着 con_b 的值不能借助其它变量间接改变，通过改变 a 的值就可以使 con_b 的值发生变化。

在大部分实际场景中，const 和 constexpr 是可以混用的，例如：

const int a = 5 + 4;
constexpr int a = 5 + 4;

它们是完全等价的，都可以在程序的编译阶段计算出结果。但在某些场景中，必须明确使用 constexpr，例如：

#include <iostream>
#include <array>
using namespace std;
constexpr int sqr1(int arg){
    return arg*arg;
}
const int sqr2(int arg){
    return arg*arg;
}
int main()
{
    array<int,sqr1(10)> mylist1;//可以，因为sqr1时constexpr函数
    array<int,sqr2(10)> mylist1;//不可以，因为sqr2不是constexpr函数
    return 0;
}

其中，因为 sqr2() 函数的返回值仅有 const 修饰，而没有用更明确的 constexpr 修饰，导致其无法用于初始化 array 容器（只有常量才能初始化 array 容器）。

总的来说在 C++ 11 标准中，const 用于为修饰的变量添加“只读”属性；而 constexpr 关键字则用于指明其后是一个常量（或者常量表达式），编译器在编译程序时可以顺带将其结果计算出来，而无需等到程序运行阶段，这样的优化极大地提高了程序的执行效率。

C++11 long long超长整形详解

C++ 11 标准中，基于整数大小的考虑，共提供了如表 1 所示的这些数据类型。与此同时，标准中还明确限定了各个数据类型最少占用的位数。

整数类型	等价类型	C++11标准规定占用最少位数
short	short int（有符号短整型）	至少 16 位（2 个字节）
signed short
signed short int
unsigned short	unsigned short int（无符号短整型）
unsigned short int
int	int（有符号整形）	至少 16 位（2 个字节）
signed
signed int
unsigned	unsigned int（无符号整形）
unsigned int
long	long int（有符号长整形）	至少 32 位（4 个字节）
long int
signed long
signed long int
unsigned long	unsigned long int（无符号长整形）
unsigned long int
long long（C++11）	long long int（有符号超长整形）	至少 64 位（8 个字节）
long long int（C++11）
signed long long（C++11）
signed long long int（C++11）
unsigned long long（C++11）	unsigned long long int（无符号超长整型）
unsigned long long int（C++11）

C++11 标准规定，每种整数类型必须同时具备有符号（signed）和无符号（unsigned）两种类型，且每种具体的有符号整形和无符号整形所占用的存储空间（也就是位数）必须相同。注意，C++11 标准中只限定了每种类型最少占用多少存储空间，不同的平台可以占用不同的存储空间。

在表 1 罗列的这些数据类型中，long long 超长整型是 C++ 11 标准新添加的，接下来就对该整数类型做具体的介绍。

说道 C++ 标准委员会将 long long 整形写入 C++ 11 标准中，其实早在 1995 年，就有人提议将 long long 整形写入 C++ 98 标准，但被委员会拒绝了。而后 long long 整形被 C99 标准（C语言标准之一）采纳，并逐渐被很多编译器支持，于是 C++ 标准委员会重新决定将 long long 整形写入 C++ 11 标准中。

如同 long 类型整数需明确标注 “L” 或者 “l” 后缀一样，要使用 long long 类型的整数，也必须标注对应的后缀：

• 对于有符号 long long 整形，后缀用 “LL” 或者 “ll” 标识。例如，“10LL” 就表示有符号超长整数 10；
• 对于无符号 long long 整形，后缀用 “ULL”、“ull”、“Ull” 或者 “uLL” 标识。例如，“10ULL” 就表示无符号超长整数 10；

如果不添加任何标识，则所有的整数都会默认为 int 类型。

对于任意一种数据类型，读者可能更关心的是此类型的取值范围。对于 long long 类型来说，如果想了解当前平台上 long long 整形的取值范围，可以使用<climits>头文件中与 long long 整形相关的 3 个宏，分别为 LLONG_MIN、LLONG_MAX 和 ULLONG_MIN：

1. LLONG_MIN：代表当前平台上最小的 long long 类型整数；
2. LLONG_MAX：代表当前平台上最大的 long long 类型整数；
3. ULLONG_MIN：代表当前平台上最大的 unsigned long long 类型整数（无符号超长整型的最小值为 0）；

举个例子：

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <climits>
using namespace std;
int main()
{
    cout <<"long long最大值：" << LLONG_MIN <<" "<< hex << LLONG_MIN <<"\n";
    cout << dec <<"long long最小值：" << LLONG_MAX << " " << hex << LLONG_MAX << "\n";
    cout << dec << "unsigned long long最大值：" << ULLONG_MAX << " " << hex << ULLONG_MAX;
    return 0;
}

程序执行结果为（不唯一）：

long long最大值：-9223372036854775808 8000000000000000
long long最小值：9223372036854775807 7fffffffffffffff
unsigned long long最大值：18446744073709551615 ffffffffffffffff

关于整形在内存中到底是如何存储的，读者可阅读《整数在内存中是如何存储的，为什么它堪称天才般的设计》一节。

此程序中，输出了各最大值和最小值对应的十六进制，显然在当前平台（Windows10 64位操作系统）上，long long 超长整型占用 64 位（也就是 16 个字节）的存储空间。读者可自行在自己的机器上运行此段代码，即可轻松得知 long long 类型在自己机器上所占用的字节数。

C++11右值引用（一看即懂）

《C++11是什么》一节中提到，在 C++98/03 标准的基础上，C++11 标准对 C++ 语言增添了约 140 个新特性。本节要讲的右值引用就是众多新特性中的一个，同时也是最重要的特性之一。

很多初学者都感觉右值引用晦涩难懂，其实不然。右值引用只不过是一种新的 C++ 语法，真正理解起来有难度的是基于右值引用引申出的 2 种 C++ 编程技巧，分别为移动语义和完美转发。本节先给读者讲解什么是右值引用以及它的基本用法，至于移动语义和完美转发则放到后续章节讲解。

C++左值和右值

右值引用可以从字面意思上理解，指的是以引用传递（而非值传递）的方式使用 C++ 右值。关于 C++ 引用，已经在《C++引用》专题给大家做了详细的讲解，这里不再重复赘述。接下来重点给大家介绍什么是 C++ 右值。

在 C++ 或者 C 语言中，一个表达式（可以是字面量、变量、对象、函数的返回值等）根据其使用场景不同，分为左值表达式和右值表达式。确切的说 C++ 中左值和右值的概念是从 C 语言继承过来的。

值得一提的是，左值的英文简写为“lvalue”，右值的英文简写为“rvalue”。很多人认为它们分别是"left value"、“right value” 的缩写，其实不然。lvalue 是“loactor value”的缩写，可意为存储在内存中、有明确存储地址（可寻址）的数据，而 rvalue 译为 “read value”，指的是那些可以提供数据值的数据（不一定可以寻址，例如存储于寄存器中的数据）。

通常情况下，判断某个表达式是左值还是右值，最常用的有以下 2 种方法。

1. 可位于赋值号（=）左侧的表达式就是左值；反之，只能位于赋值号右侧的表达式就是右值。举个例子：

int a = 5;
5 = a; //错误，5 不能为左值

其中，变量 a 就是一个左值，而字面量 5 就是一个右值。值得一提的是，C++ 中的左值也可以当做右值使用，例如：

int b = 10; // b 是一个左值
a = b; // a、b 都是左值，只不过将 b 可以当做右值使用

2. 有名称的、可以获取到存储地址的表达式即为左值；反之则是右值。

以上面定义的变量 a、b 为例，a 和 b 是变量名，且通过 &a 和 &b 可以获得他们的存储地址，因此 a 和 b 都是左值；反之，字面量 5、10，它们既没有名称，也无法获取其存储地址（字面量通常存储在寄存器中，或者和代码存储在一起），因此 5、10 都是右值。

注意，以上 2 种判定方法只适用于大部分场景。由于本节主要讲解右值引用，因此这里适可而止，不再对 C++ 左值和右值做深度剖析，感兴趣的读者可自行研究。

C++右值引用

前面提到，其实 C++98/03 标准中就有引用，使用 “&” 表示。但此种引用方式有一个缺陷，即正常情况下只能操作 C++ 中的左值，无法对右值添加引用。举个例子：

int num = 10;
int &b = num; //正确
int &c = 10; //错误

如上所示，编译器允许我们为 num 左值建立一个引用，但不可以为 10 这个右值建立引用。因此，C++98/03 标准中的引用又称为左值引用。

注意，虽然 C++98/03 标准不支持为右值建立非常量左值引用，但允许使用常量左值引用操作右值。也就是说，常量左值引用既可以操作左值，也可以操作右值，例如：

int num = 10;
const int &b = num;
const int &c = 10;

我们知道，右值往往是没有名称的，因此要使用它只能借助引用的方式。这就产生一个问题，实际开发中我们可能需要对右值进行修改（实现移动语义时就需要），显然左值引用的方式是行不通的。

为此，C++11 标准新引入了另一种引用方式，称为右值引用，用 “&&” 表示。

话说，C++标准委员会在选定右值引用符号时，既希望能选用现有 C++ 内部已有的符号，还不能与 C++ 98 /03 标准产生冲突，最终选定了 2 个 ‘&’ 表示右值引用。

需要注意的，和声明左值引用一样，右值引用也必须立即进行初始化操作，且只能使用右值进行初始化，比如：

int num = 10;
const int &b = num;
const int &c = 10;

和常量左值引用不同的是，右值引用还可以对右值进行修改。例如：

int num = 10;
//int && a = num; //右值引用不能初始化为左值
int && a = 10;

程序输出结果为 100。

另外值得一提的是，C++ 语法上是支持定义常量右值引用的，例如：

int && a = 10;
a = 100;
cout << a << endl;

但这种定义出来的右值引用并无实际用处。一方面，右值引用主要用于移动语义和完美转发，其中前者需要有修改右值的权限；其次，常量右值引用的作用就是引用一个不可修改的右值，这项工作完全可以交给常量左值引用完成。

学到这里，一些读者可能无法记清楚左值引用和右值引用各自可以引用左值还是右值，这里给大家一张表格，方便大家记忆：

引用类型	可以引用的值类型	使用场景
非常量左值	常量左值	非常量右值	常量右值
非常量左值引用	Y	N	N	N	无
常量左值引用	Y	Y	Y	Y	常用于类中构建拷贝构造函数
非常量右值引用	N	N	Y	N	移动语义、完美转发
常量右值引用	N	N	Y	Y	无实际用途

表中，Y 表示支持，N 表示不支持。

其实，C++11 标准中对右值做了更细致的划分，分别称为纯右值（Pure value，简称 pvalue）和将亡值（eXpiring value，简称 xvalue ）。其中纯右值就是 C++98/03 标准中的右值（本节中已经做了大篇幅的讲解），而将亡值则指的是和右值引用相关的表达式（比如某函数返回的 T && 类型的表达式）。对于纯右值和将亡值，都属于右值，读者知道即可，不必深究。

C++11移动构造函数的功能和用法

《C++11右值引用》一节中，给读者详细介绍了 C++ 右值引用的含义和用法，同时还提到“右值引用主要用于实现移动（move）语义和完美转发”。有关完美转发，后续章节会做详细介绍，本节主要讲解移动语义的含义以及实现它的方式。

C++11移动语义是什么

在 C++ 11 标准之前（C++ 98/03 标准中），如果想用其它对象初始化一个同类的新对象，只能借助类中的复制（拷贝）构造函数。通过《C++拷贝构造函数》一节的学习我们知道，拷贝构造函数的实现原理很简单，就是为新对象复制一份和其它对象一模一样的数据。

需要注意的是，当类中拥有指针类型的成员变量时，拷贝构造函数中需要以深拷贝（而非浅拷贝）的方式复制该指针成员。有关深拷贝和浅拷贝以及它们的区别，读者可阅读《C++深拷贝和浅拷贝》一文做详细了解。

举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
class demo{
public:
   demo():num(new int(0)){
      cout<<"construct!"<<endl;
   }
   //拷贝构造函数
   demo(const demo &d):num(new int(\*d.num)){
      cout<<"copy construct!"<<endl;
   }
   ~demo(){
      cout<<"class destruct!"<<endl;
   }
private:
   int \*num;
};
demo get\_demo(){
    return demo();
}
int main(){
    demo a = get\_demo();
    return 0;
}

如上所示，我们为 demo 类自定义了一个拷贝构造函数。该函数在拷贝 d.num 指针成员时，必须采用深拷贝的方式，即拷贝该指针成员本身的同时，还要拷贝指针指向的内存资源。否则一旦多个对象中的指针成员指向同一块堆空间，这些对象析构时就会对该空间释放多次，这是不允许的。

可以看到，程序中定义了一个可返回 demo 对象的 get_demo() 函数，用于在 main() 主函数中初始化 a 对象，其整个初始化的流程包含以下几个阶段：

1. 执行 get_demo() 函数内部的 demo() 语句，即调用 demo 类的默认构造函数生成一个匿名对象；
2. 执行 return demo() 语句，会调用拷贝构造函数复制一份之前生成的匿名对象，并将其作为 get_demo() 函数的返回值（函数体执行完毕之前，匿名对象会被析构销毁）；
3. 执行 a = get_demo() 语句，再调用一次拷贝构造函数，将之前拷贝得到的临时对象复制给 a（此行代码执行完毕，get_demo() 函数返回的对象会被析构）；
4. 程序执行结束前，会自行调用 demo 类的析构函数销毁 a。

注意，目前多数编译器都会对程序中发生的拷贝操作进行优化，因此如果我们使用 VS 2017、codeblocks 等这些编译器运行此程序时，看到的往往是优化后的输出结果：

construct!
class destruct!

而同样的程序，如果在 Linux 上使用g++ demo.cpp -fno-elide-constructors命令运行（其中 demo.cpp 是程序文件的名称），就可以看到完整的输出结果：

construct! <-- 执行 demo()
copy construct! <-- 执行 return demo()
class destruct! <-- 销毁 demo() 产生的匿名对象
copy construct! <-- 执行 a = get_demo()
class destruct! <-- 销毁 get_demo() 返回的临时对象
class destruct! <-- 销毁 a

如上所示，利用拷贝构造函数实现对 a 对象的初始化，底层实际上进行了 2 次拷贝（而且是深拷贝）操作。当然，对于仅申请少量堆空间的临时对象来说，深拷贝的执行效率依旧可以接受，但如果临时对象中的指针成员申请了大量的堆空间，那么 2 次深拷贝操作势必会影响 a 对象初始化的执行效率。

事实上，此问题一直存留在以 C++ 98/03 标准编写的 C++ 程序中。由于临时变量的产生、销毁以及发生的拷贝操作本身就是很隐晦的（编译器对这些过程做了专门的优化），且并不会影响程序的正确性，因此很少进入程序员的视野。

那么当类中包含指针类型的成员变量，使用其它对象来初始化同类对象时，怎样才能避免深拷贝导致的效率问题呢？C++11 标准引入了解决方案，该标准中引入了右值引用的语法，借助它可以实现移动语义。

C++移动构造函数（移动语义的具体实现）

所谓移动语义，指的就是以移动而非深拷贝的方式初始化含有指针成员的类对象。简单的理解，移动语义指的就是将其他对象（通常是临时对象）拥有的内存资源“移为已用”。

以前面程序中的 demo 类为例，该类的成员都包含一个整形的指针成员，其默认指向的是容纳一个整形变量的堆空间。当使用 get_demo() 函数返回的临时对象初始化 a 时，我们只需要将临时对象的 num 指针直接浅拷贝给 a.num，然后修改该临时对象中 num 指针的指向（通常另其指向 NULL），这样就完成了 a.num 的初始化。

事实上，对于程序执行过程中产生的临时对象，往往只用于传递数据（没有其它的用处），并且会很快会被销毁。因此在使用临时对象初始化新对象时，我们可以将其包含的指针成员指向的内存资源直接移给新对象所有，无需再新拷贝一份，这大大提高了初始化的执行效率。

例如，下面程序对 demo 类进行了修改：

#include <iostream>
using namespace std;
class demo{
public:
    demo():num(new int(0)){
        cout<<"construct!"<<endl;
    }
    demo(const demo &d):num(new int(\*d.num)){
        cout<<"copy construct!"<<endl;
    }
    //添加移动构造函数
    demo(demo &&d):num(d.num){
        d.num = NULL;
        cout<<"move construct!"<<endl;
    }
    ~demo(){
        cout<<"class destruct!"<<endl;
    }
private:
    int \*num;
};
demo get\_demo(){
    return demo();
}
int main(){
    demo a = get\_demo();
    return 0;
}

可以看到，在之前 demo 类的基础上，我们又手动为其添加了一个构造函数。和其它构造函数不同，此构造函数使用右值引用形式的参数，又称为移动构造函数。并且在此构造函数中，num 指针变量采用的是浅拷贝的复制方式，同时在函数内部重置了 d.num，有效避免了“同一块对空间被释放多次”情况的发生。

在 Linux 系统中使用g++ demo.cpp -o demo.exe -std=c++0x -fno-elide-constructors命令执行此程序，输出结果为：

construct!
move construct!
class destruct!
move construct!
class destruct!
class destruct!

通过执行结果我们不难得知，当为 demo 类添加移动构造函数之后，使用临时对象初始化 a 对象过程中产生的 2 次拷贝操作，都转由移动构造函数完成。

我们知道，非 const 右值引用只能操作右值，程序执行结果中产生的临时对象（例如函数返回值、lambda 表达式等）既无名称也无法获取其存储地址，所以属于右值。当类中同时包含拷贝构造函数和移动构造函数时，如果使用临时对象初始化当前类的对象，编译器会优先调用移动构造函数来完成此操作。只有当类中没有合适的移动构造函数时，编译器才会退而求其次，调用拷贝构造函数。

在实际开发中，通常在类中自定义移动构造函数的同时，会再为其自定义一个适当的拷贝构造函数，由此当用户利用右值初始化类对象时，会调用移动构造函数；使用左值（非右值）初始化类对象时，会调用拷贝构造函数。

读者可能会问，如果使用左值初始化同类对象，但也想调用移动构造函数完成，有没有办法可以实现呢？

默认情况下，左值初始化同类对象只能通过拷贝构造函数完成，如果想调用移动构造函数，则必须使用右值进行初始化。C++11 标准中为了满足用户使用左值初始化同类对象时也通过移动构造函数完成的需求，新引入了 std::move() 函数，它可以将左值强制转换成对应的右值，由此便可以使用移动构造函数。

有关 std::move() 函数的用法，后续章节会做详细讲解。

C++11 move()函数：将左值强制转换为右值

通过学习 《C++11移动构造函数》一节我们知道，C++11 标准中借助右值引用可以为指定类添加移动构造函数，这样当使用该类的右值对象（可以理解为临时对象）初始化同类对象时，编译器会优先选择移动构造函数。

注意，移动构造函数的调用时机是：用同类的右值对象初始化新对象。那么，用当前类的左值对象（有名称，能获取其存储地址的实例对象）初始化同类对象时，是否就无法调用移动构造函数了呢？当然不是，C++11 标准中已经给出了解决方案，即调用 move() 函数。

move 本意为 “移动”，但该函数并不能移动任何数据，它的功能很简单，就是将某个左值强制转化为右值。

基于 move() 函数特殊的功能，其常用于实现移动语义。

move() 函数的用法也很简单，其语法格式如下：

move( arg )

其中，arg 表示指定的左值对象。该函数会返回 arg 对象的右值形式。

【例 1】move() 函数的基础应用。

#include <iostream>
using namespace std;
class movedemo{
public:
    movedemo():num(new int(0)){
        cout<<"construct!"<<endl;
    }
    //拷贝构造函数
    movedemo(const movedemo &d):num(new int(\*d.num)){
        cout<<"copy construct!"<<endl;
    }
    //移动构造函数
    movedemo(movedemo &&d):num(d.num){
        d.num = NULL;
        cout<<"move construct!"<<endl;
    }
public:     //这里应该是 private，使用 public 是为了更方便说明问题
    int \*num;
};
int main(){
    movedemo demo;
    cout << "demo2:\n";
    movedemo demo2 = demo;
    //cout << \*demo2.num << endl; //可以执行
    cout << "demo3:\n";
    movedemo demo3 = std::move(demo);
    //此时 demo.num = NULL，因此下面代码会报运行时错误
    //cout << \*demo.num << endl;
    return 0;
}

程序执行结果为：

construct!
demo2:
copy construct!
demo3:
move construct!

通过观察程序的输出结果，以及对比 demo2 和 demo3 初始化操作不难得知，demo 对象作为左值，直接用于初始化 demo2 对象，其底层调用的是拷贝构造函数；而通过调用 move() 函数可以得到 demo 对象的右值形式，用其初始化 demo3 对象，编译器会优先调用移动构造函数。

注意，调用拷贝构造函数，并不影响 demo 对象，但如果调用移动构造函数，由于函数内部会重置 demo.num 指针的指向为 NULL，所以程序中第 30 行代码会导致程序运行时发生错误。

【例 2】灵活使用 move() 函数。

#include <iostream>
using namespace std;
class first {
public:
    first() :num(new int(0)) {
        cout << "construct!" << endl;
    }
    //移动构造函数
    first(first &&d) :num(d.num) {
        d.num = NULL;
        cout << "first move construct!" << endl;
    }
public:    //这里应该是 private，使用 public 是为了更方便说明问题
    int \*num;
};
class second {
public:
    second() :fir() {}
    //用 first 类的移动构造函数初始化 fir
    second(second && sec) :fir(move(sec.fir)) {
        cout << "second move construct" << endl;
    }
public:    //这里也应该是 private，使用 public 是为了更方便说明问题
    first fir;
};
int main() {
    second oth;
    second oth2 = move(oth);
    //cout << \*oth.fir.num << endl; //程序报运行时错误
    return 0;
}

程序执行结果为：

construct!
first move construct!
second move construct

程序中分别构建了 first 和 second 这 2 个类，其中 second 类中包含一个 first 类对象。如果读者仔细观察不难发现，程序中使用了 2 此 move() 函数：

• 程序第 31 行：由于 oth 为左值，如果想调用移动构造函数为 oth2 初始化，需先利用 move() 函数生成一个 oth 的右值版本；
• 程序第 22 行：oth 对象内部还包含一个 first 类对象，对于 oth.fir 来说，其也是一个左值，所以在初始化 oth.fir 时，还需要再调用一次 move() 函数。

C++11引用限定符的用法

在《C++右值引用》一节中，我们给您介绍了左值和右值。值得一提的是，左值和右值的区分也同样适用于类对象，本节中将左值的类对象称为左值对象，将右值的类对象称为右值对象。

默认情况下，对于类中用 public 修饰的成员函数，既可以被左值对象调用，也可以被右值对象调用。举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
class demo {
public:
    demo(int num):num(num){}
    int get\_num(){
        return this->num;
    }
private:
    int num;
};
int main() {
    demo a(10);
    cout << a.get\_num() << endl;
    cout << move(a).get\_num() << endl;
    return 0;
}

可以看到，demo 类中的 get_num() 成员函数既可以被 a 左值对象调用，也可以被 move(a) 生成的右值 demo 对象调用，运行程序会输出两个 10。

某些场景中，我们可能需要限制调用成员函数的对象的类型（左值还是右值），为此 C++11 新添加了引用限定符。所谓引用限定符，就是在成员函数的后面添加 “&” 或者 “&&”，从而限制调用者的类型（左值还是右值）。

修改上面程序：

#include <iostream>
using namespace std;
class demo {
public:
    demo(int num):num(num){}
    int get\_num()&{
        return this->num;
    }
private:
    int num;
};
int main() {
    demo a(10);
    cout << a.get\_num() << endl;          // 正确
    //cout << move(a).get\_num() << endl; // 错误
    return 0;
}

和之前的程序相比，我们仅在 get_num() 成员函数的后面添加了 “&”，它可以限定调用该函数的对象必须是左值对象。因此第 16 行代码中，move(a) 生成的右值对象是不允许调用 get_num() 函数的。

同理，我们再次修改程序：

#include <iostream>
using namespace std;
class demo {
public:
    demo(int num):num(num){}
    int get\_num()&&{
        return this->num;
    }
private:
    int num;
};
int main() {
    demo a(10);
    //cout << a.get\_num() << endl; // 错误
    cout << move(a).get\_num() << endl;  // 正确
    return 0;
}

和先前程序不同的是，get_num() 函数后根有 “&&” 限定符，它可以限定调用该函数的对象必须是一个右值对象。

注意，引用限定符不适用于静态成员函数和友元函数。

const和引用限定符

我们知道，const 也可以用于修饰类的成员函数，我们习惯称为常成员函数，例如：

class demo{
public:
    int get\_num() const;
}

这里的 get_num() 就是一个常成员函数。

const 和引用限定符修饰类的成员函数时，都位于函数的末尾。C++11 标准规定，当引用限定符和 const 修饰同一个类的成员函数时，const 必须位于引用限定符前面。

需要注意的一点是，当 const && 修饰类的成员函数时，调用它的对象只能是右值对象；当 const & 修饰类的成员函数时，调用它的对象既可以是左值对象，也可以是右值对象。无论是 const && 还是 const & 限定的成员函数，内部都不允许对当前对象做修改操作。

举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;
class demo {
public:
    demo(int num,int num2) :num(num),num2(num2) {}
    //左值和右值对象都可以调用
    int get\_num() const &{
        return this->num;
    }
    //仅供右值对象调用
    int get\_num2() const && {
        return this->num2;
    }
private:
    int num;
    int num2;
};
int main() {
    demo a(10,20);
    cout << a.get\_num() << endl;        // 正确
    cout << move(a).get\_num() << endl;  // 正确
   
    //cout << a.get\_num2() << endl; // 错误 
    cout << move(a).get\_num2() << endl; // 正确
    return 0;
}

C++11完美转发及其实现

C++11 标准为 C++ 引入右值引用语法的同时，还解决了一个 C++ 98/03 标准长期存在的短板，即使用简单的方式即可在函数模板中实现参数的完美转发。那么，什么是完美转发？它为什么是 C++98/03 标准存在的一个短板？C++11 标准又是如何为 C++ 弥补这一短板的？别急，本节将就这些问题给读者做一一讲解。

首先解释一下什么是完美转发，它指的是函数模板可以将自己的参数“完美”地转发给内部调用的其它函数。所谓完美，即不仅能准确地转发参数的值，还能保证被转发参数的左、右值属性不变。

在 C++ 中，一个表达式不是左值就是右值。有关如何判断一个表达式是左值还是右值，可阅读《C++右值引用》一文做详细了解。

举个例子：

template<typename T>
void function(T t) {
    otherdef(t);
}

如上所示，function() 函数模板中调用了 otherdef() 函数。在此基础上，完美转发指的是：如果 function() 函数接收到的参数 t 为左值，那么该函数传递给 otherdef() 的参数 t 也是左值；反之如果 function() 函数接收到的参数 t 为右值，那么传递给 otherdef() 函数的参数 t 也必须为右值。

显然，function() 函数模板并没有实现完美转发。一方面，参数 t 为非引用类型，这意味着在调用 function() 函数时，实参将值传递给形参的过程就需要额外进行一次拷贝操作；另一方面，无论调用 function() 函数模板时传递给参数 t 的是左值还是右值，对于函数内部的参数 t 来说，它有自己的名称，也可以获取它的存储地址，因此它永远都是左值，也就是说，传递给 otherdef() 函数的参数 t 永远都是左值。总之，无论从那个角度看，function() 函数的定义都不“完美”。

读者可能会问，完美转发这样严苛的参数传递机制，很常用吗？C++98/03 标准中几乎不会用到，但 C++11 标准为 C++ 引入了右值引用和移动语义，因此很多场景中是否实现完美转发，直接决定了该参数的传递过程使用的是拷贝语义（调用拷贝构造函数）还是移动语义（调用移动构造函数）。

事实上，C++98/03 标准下的 C++ 也可以实现完美转发，只是实现方式比较笨拙。通过前面的学习我们知道，C++ 98/03 标准中只有左值引用，并且可以细分为非 const 引用和 const 引用。其中，使用非 const 引用作为函数模板参数时，只能接收左值，无法接收右值；而 const 左值引用既可以接收左值，也可以接收右值，但考虑到其 const 属性，除非被调用函数的参数也是 const 属性，否则将无法直接传递。

这也就意味着，单独使用任何一种引用形式，可以实现转发，但无法保证完美。因此如果使用 C++ 98/03 标准下的 C++ 语言，我们可以采用函数模板重载的方式实现完美转发，例如：

#include <iostream>
using namespace std;
//重载被调用函数，查看完美转发的效果
void otherdef(int & t) {
    cout << "lvalue\n";
}
void otherdef(const int & t) {
    cout << "rvalue\n";
}
//重载函数模板，分别接收左值和右值
//接收右值参数
template <typename T>
void function(const T& t) {
    otherdef(t);
}
//接收左值参数
template <typename T>
void function(T& t) {
    otherdef(t);
}
int main()
{
    function(5);//5 是右值
    int  x = 1;
    function(x);//x 是左值
    return 0;
}

程序执行结果为：

rvalue
lvalue

从输出结果中可以看到，对于右值 5 来说，它实际调用的参数类型为 const T& 的函数模板，由于 t 为 const 类型，所以 otherdef() 函数实际调用的也是参数用 const 修饰的函数，所以输出“rvalue”；对于左值 x 来说，2 个重载模板函数都适用，C++编译器会选择最适合的参数类型为 T& 的函数模板，进而 therdef() 函数实际调用的是参数类型为非 const 的函数，输出“lvalue”。

显然，使用重载的模板函数实现完美转发也是有弊端的，此实现方式仅适用于模板函数仅有少量参数的情况，否则就需要编写大量的重载函数模板，造成代码的冗余。为了方便用户更快速地实现完美转发，C++ 11 标准中允许在函数模板中使用右值引用来实现完美转发。

C++11 标准中规定，通常情况下右值引用形式的参数只能接收右值，不能接收左值。但对于函数模板中使用右值引用语法定义的参数来说，它不再遵守这一规定，既可以接收右值，也可以接收左值（此时的右值引用又被称为“万能引用”）。

仍以 function() 函数为例，在 C++11 标准中实现完美转发，只需要编写如下一个模板函数即可：

template <typename T>
void function(T&& t) {
    otherdef(t);
}

此模板函数的参数 t 既可以接收左值，也可以接收右值。但仅仅使用右值引用作为函数模板的参数是远远不够的，还有一个问题继续解决，即如果调用 function() 函数时为其传递一个左值引用或者右值引用的实参，如下所示：

int n = 10;
int & num = n;
function(num); // T 为 int&
int && num2 = 11;
function(num2); // T 为 int &&

其中，由 function(num) 实例化的函数底层就变成了 function(int & & t)，同样由 function(num2) 实例化的函数底层则变成了 function(int && && t)。要知道，C++98/03 标准是不支持这种用法的，而 C++ 11标准为了更好地实现完美转发，特意为其指定了新的类型匹配规则，又称为引用折叠规则（假设用 A 表示实际传递参数的类型）：

• 当实参为左值或者左值引用（A&）时，函数模板中 T&& 将转变为 A&（A& && = A&）；
• 当实参为右值或者右值引用（A&&）时，函数模板中 T&& 将转变为 A&&（A&& && = A&&）。

读者只需要知道，在实现完美转发时，只要函数模板的参数类型为 T&&，则 C++ 可以自行准确地判定出实际传入的实参是左值还是右值。

通过将函数模板的形参类型设置为 T&&，我们可以很好地解决接收左、右值的问题。但除此之外，还需要解决一个问题，即无论传入的形参是左值还是右值，对于函数模板内部来说，形参既有名称又能寻址，因此它都是左值。那么如何才能将函数模板接收到的形参连同其左、右值属性，一起传递给被调用的函数呢？

C++11 标准的开发者已经帮我们想好的解决方案，该新标准还引入了一个模板函数 forword()，我们只需要调用该函数，就可以很方便地解决此问题。仍以 function 模板函数为例，如下演示了该函数模板的用法：

#include <iostream>
using namespace std;
//重载被调用函数，查看完美转发的效果
void otherdef(int & t) {
    cout << "lvalue\n";
}
void otherdef(const int & t) {
    cout << "rvalue\n";
}
//实现完美转发的函数模板
template <typename T>
void function(T&& t) {
    otherdef(forward<T>(t));
}
int main()
{
    function(5);
    int  x = 1;
    function(x);
    return 0;
}

程序执行结果为：

rvalue
lvalue

注意程序中第 12~16 行，此 function() 模板函数才是实现完美转发的最终版本。可以看到，forword() 函数模板用于修饰被调用函数中需要维持参数左、右值属性的参数。

总的来说，在定义模板函数时，我们采用右值引用的语法格式定义参数类型，由此该函数既可以接收外界传入的左值，也可以接收右值；其次，还需要使用 C++11 标准库提供的 forword() 模板函数修饰被调用函数中需要维持左、右值属性的参数。由此即可轻松实现函数模板中参数的完美转发。

C++11 nullptr：初始化空指针

实际开发中，避免产生“野指针”最有效的方法，就是在定义指针的同时完成初始化操作，即便该指针的指向尚未明确，也要将其初始化为空指针。

所谓“野指针”，又称“悬挂指针”，指的是没有明确指向的指针。野指针往往指向的是那些不可用的内存区域，这就意味着像操作普通指针那样使用野指针（例如 &p），极可能导致程序发生异常。

C++98/03 标准中，将一个指针初始化为空指针的方式有 2 种：

int \*p = 0;
int \*p = NULL; //推荐使用

可以看到，我们可以将指针明确指向 0（0x0000 0000）这个内存空间。一方面，明确指针的指向可以避免其成为野指针；另一方面，大多数操作系统都不允许用户对地址为 0 的内存空间执行写操作，若用户在程序中尝试修改其内容，则程序运行会直接报错。

相比第一种方式，我们更习惯将指针初始化为 NULL。值得一提的是，NULL 并不是 C++ 的关键字，它是 C++ 为我们事先定义好的一个宏，并且它的值往往就是字面量 0（#define NULL 0）。

C++ 中将 NULL 定义为字面常量 0，虽然能满足大部分场景的需要，但个别情况下，它会导致程序的运行和我们的预期不符。例如：

#include <iostream>
using namespace std;
void isnull(void \*c){
    cout << "void\*c" << endl;
}
void isnull(int n){
    cout << "int n" << endl;
}
int main() {
    isnull(0);
    isnull(NULL);
    return 0;
}

程序执行结果为：

int n
int n

对于 isnull(0) 来说，显然它真正调用的是参数为整形的 isnull() 函数；而对于 isnull(NULL)，我们期望它实际调用的是参数为 void*c 的 isnull() 函数，但观察程序的执行结果不难看出，并不符合我们的预期。

C++ 98/03 标准中，如果我们想令 isnull(NULL) 实际调用的是 isnull(void* c)，就需要对 NULL（或者 0）进行强制类型转换：

isnull( (void\*)NULL );
isnull( (void\*)0 );

如此，才会成功调用我们预期的函数（读者可自行执行此代码，观察输出结果）。

由于 C++ 98 标准使用期间，NULL 已经得到了广泛的应用，出于兼容性的考虑，C++11 标准并没有对 NULL 的宏定义做任何修改。为了修正 C++ 存在的这一 BUG，C++ 标准委员会最终决定另其炉灶，在 C++11 标准中引入一个新关键字，即 nullptr。

在使用 nullptr 之前，读者需保证自己使用的编译器支持该关键字。以 Visual Studio 和 codeblocks 为例，前者早在 2010 版本就对 C++ 11 标准中的部分特性提供了支持，其中就包括 nullptr；如果使用后者，读者需将其 G++ 编译器版本至少升级至 4.6.1（同时开启 -std=c++0x 编译选项）。

nullptr 是 nullptr_t 类型的右值常量，专用于初始化空类型指针。nullptr_t 是 C++11 新增加的数据类型，可称为“指针空值类型”。也就是说，nullpter 仅是该类型的一个实例对象（已经定义好，可以直接使用），如果需要我们完全定义出多个同 nullptr 完全一样的实例对象。

值得一提的是，nullptr 可以被隐式转换成任意的指针类型。举个例子：

int \* a1 = nullptr;
char \* a2 = nullptr;
double \* a3 = nullptr;

显然，不同类型的指针变量都可以使用 nullptr 来初始化，编译器分别将 nullptr 隐式转换成 int*、char* 以及 double* 指针类型。

另外，通过将指针初始化为 nullptr，可以很好地解决 NULL 遗留的问题，比如：

#include <iostream>
using namespace std;
void isnull(void \*c){
    cout << "void\*c" << endl;
}
void isnull(int n){
    cout << "int n" << endl;
}
int main() {
    isnull(NULL);
    isnull(nullptr);
    return 0;
}

程序执行结果为：

int n
void*c

借助执行结果不难看出，由于 nullptr 无法隐式转换为整形，而可以隐式匹配指针类型，因此执行结果和我们的预期相符。

总之在 C++11 标准下，相比 NULL 和 0，使用 nullptr 初始化空指针可以令我们编写的程序更加健壮。

C++11 shared_ptr智能指针（超级详细）

在实际的 C++ 开发中，我们经常会遇到诸如程序运行中突然崩溃、程序运行所用内存越来越多最终不得不重启等问题，这些问题往往都是内存资源管理不当造成的。比如：

• 有些内存资源已经被释放，但指向它的指针并没有改变指向（成为了野指针），并且后续还在使用；
• 有些内存资源已经被释放，后期又试图再释放一次（重复释放同一块内存会导致程序运行崩溃）；
• 没有及时释放不再使用的内存资源，造成内存泄漏，程序占用的内存资源越来越多。

针对以上这些情况，很多程序员认为 C++ 语言应该提供更友好的内存管理机制，这样就可以将精力集中于开发项目的各个功能上。

事实上，显示内存管理的替代方案很早就有了，早在 1959 年前后，就有人提出了“垃圾自动回收”机制。所谓垃圾，指的是那些不再使用或者没有任何指针指向的内存空间，而“回收”则指的是将这些“垃圾”收集起来以便再次利用。

如今，垃圾回收机制已经大行其道，得到了诸多编程语言的支持，例如 Java、Python、C#、PHP 等。而 C++ 虽然从来没有公开得支持过垃圾回收机制，但 C++98/03 标准中，支持使用 auto_ptr 智能指针来实现堆内存的自动回收；C++11 新标准在废弃 auto_ptr 的同时，增添了 unique_ptr、shared_ptr 以及 weak_ptr 这 3 个智能指针来实现堆内存的自动回收。

所谓智能指针，可以从字面上理解为“智能”的指针。具体来讲，智能指针和普通指针的用法是相似的，不同之处在于，智能指针可以在适当时机自动释放分配的内存。也就是说，使用智能指针可以很好地避免“忘记释放内存而导致内存泄漏”问题出现。由此可见，C++ 也逐渐开始支持垃圾回收机制了，尽管目前支持程度还有限。

C++ 智能指针底层是采用引用计数的方式实现的。简单的理解，智能指针在申请堆内存空间的同时，会为其配备一个整形值（初始值为 1），每当有新对象使用此堆内存时，该整形值 +1；反之，每当使用此堆内存的对象被释放时，该整形值减 1。当堆空间对应的整形值为 0 时，即表明不再有对象使用它，该堆空间就会被释放掉。

接下来，我们将分别对 shared_ptr、unique_ptr 以及 weak_ptr 这 3 个智能指针的特性和用法做详细的讲解，本节先介绍 shared_ptr 智能指针。

C++11 shared_ptr智能指针

实际上，每种智能指针都是以类模板的方式实现的，shared_ptr 也不例外。shared_ptr（其中 T 表示指针指向的具体数据类型）的定义位于<memory>头文件，并位于 std 命名空间中，因此在使用该类型指针时，程序中应包含如下 2 行代码：

#include <memory>
using namespace std;

注意，第 2 行代码并不是必须的，也可以不添加，则后续在使用 shared_ptr 智能指针时，就需要明确指明std::。

值得一提的是，和 unique_ptr、weak_ptr 不同之处在于，多个 shared_ptr 智能指针可以共同使用同一块堆内存。并且，由于该类型智能指针在实现上采用的是引用计数机制，即便有一个 shared_ptr 指针放弃了堆内存的“使用权”（引用计数减 1），也不会影响其他指向同一堆内存的 shared_ptr 指针（只有引用计数为 0 时，堆内存才会被自动释放）。

1、shared_ptr智能指针的创建

shared_ptr 类模板中，提供了多种实用的构造函数，这里给读者列举了几个常用的构造函数（以构建指向 int 类型数据的智能指针为例）。

1. 通过如下 2 种方式，可以构造出 shared_ptr 类型的空智能指针：

std::shared_ptr<int> p1;             //不传入任何实参std::shared\_ptr<int> p2(nullptr); //传入空指针 nullptr

注意，空的 shared_ptr 指针，其初始引用计数为 0，而不是 1。

2. 在构建 shared_ptr 智能指针，也可以明确其指向。例如：

std::shared_ptr<int> p3(new int(10));

由此，我们就成功构建了一个 shared_ptr 智能指针，其指向一块存有 10 这个 int 类型数据的堆内存空间。

同时，C++11 标准中还提供了 std::make_shared 模板函数，其可以用于初始化 shared_ptr 智能指针，例如：

std::shared_ptr<int> p3 = std::make\_shared<int>(10);

以上 2 种方式创建的 p3 是完全相同。

3. 除此之外，shared_ptr 模板还提供有相应的拷贝构造函数和移动构造函数，例如：

//调用拷贝构造函数
std::shared_ptr<int> p4(p3);//或者 std::shared\_ptr<int> p4 = p3;
//调用移动构造函数
std::shared_ptr<int> p5(std::move(p4)); //或者 std::shared\_ptr<int> p5 = std::move(p4);

有关拷贝构造函数，读者可阅读《C++拷贝构造函数》一节做系统了解；有关移动构造函数，读者可阅读《C++移动构造函数》做详细了解；有关 move() 函数的功能和用法，读者可阅读《C++11 move()》一节。

如上所示，p3 和 p4 都是 shared_ptr 类型的智能指针，因此可以用 p3 来初始化 p4，由于 p3 是左值，因此会调用拷贝构造函数。需要注意的是，如果 p3 为空智能指针，则 p4 也为空智能指针，其引用计数初始值为 0；反之，则表明 p4 和 p3 指向同一块堆内存，同时该堆空间的引用计数会加 1。

而对于 std::move(p4) 来说，该函数会强制将 p4 转换成对应的右值，因此初始化 p5 调用的是移动构造函数。另外和调用拷贝构造函数不同，用 std::move(p4) 初始化 p5，会使得 p5 拥有了 p4 的堆内存，而 p4 则变成了空智能指针。

注意，同一普通指针不能同时为多个 shared_ptr 对象赋值，否则会导致程序发生异常。例如：

int\* ptr = new int;
std::shared_ptr<int> p1(ptr);
std::shared_ptr<int> p2(ptr);//错误

4. 在初始化 shared_ptr 智能指针时，还可以自定义所指堆内存的释放规则，这样当堆内存的引用计数为 0 时，会优先调用我们自定义的释放规则。

在某些场景中，自定义释放规则是很有必要的。比如，对于申请的动态数组来说，shared_ptr 指针默认的释放规则是不支持释放数组的，只能自定义对应的释放规则，才能正确地释放申请的堆内存。

对于申请的动态数组，释放规则可以使用 C++11 标准中提供的 default_delete 模板类，我们也可以自定义释放规则：

//指定 default\_delete 作为释放规则
std::shared_ptr<int> p6(new int[10], std::default\_delete<int[]>());
//自定义释放规则
void deleteInt(int\*p) {
    delete []p;
}
//初始化智能指针，并自定义释放规则
std::shared_ptr<int> p7(new int[10], deleteInt);

实际上借助 lambda 表达式，我们还可以像如下这样初始化 p7，它们是完全相同的：

std::shared_ptr<int> p7(new int[10], [](int* p) {delete[]p; });

shared_ptr 模板类还提供有其它一些初始化智能指针的方法，感兴趣的读者可前往讲解 shared_ptr 的官网做系统了解。

2、shared_ptr模板类提供的成员方法

为了方便用户使用 shared_ptr 智能指针，shared_ptr 模板类还提供有一些实用的成员方法，它们各自的功能如表 1 所示。

成员方法名	功 能
operator=()	重载赋值号，使得同一类型的 shared_ptr 智能指针可以相互赋值。
operator*()	重载 * 号，获取当前 shared_ptr 智能指针对象指向的数据。
operator->()	重载 -> 号，当智能指针指向的数据类型为自定义的结构体时，通过 -> 运算符可以获取其内部的指定成员。
swap()	交换 2 个相同类型 shared_ptr 智能指针的内容。
reset()	当函数没有实参时，该函数会使当前 shared_ptr 所指堆内存的引用计数减 1，同时将当前对象重置为一个空指针；当为函数传递一个新申请的堆内存时，则调用该函数的 shared_ptr 对象会获得该存储空间的所有权，并且引用计数的初始值为 1。
get()	获得 shared_ptr 对象内部包含的普通指针。
use_count()	返回同当前 shared_ptr 对象（包括它）指向相同的所有 shared_ptr 对象的数量。
unique()	判断当前 shared_ptr 对象指向的堆内存，是否不再有其它 shared_ptr 对象再指向它。
operator bool()	判断当前 shared_ptr 对象是否为空智能指针，如果是空指针，返回 false；反之，返回 true。

除此之外，C++11 标准还支持同一类型的 shared_ptr 对象，或者 shared_ptr 和 nullptr 之间，进行 ==，!=，<，<=，>，>= 运算。

下面程序给大家演示了 shared_ptr 智能指针的基本用法，以及该模板类提供了一些成员方法的用法：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
    //构建 2 个智能指针
    std::shared_ptr<int> p1(new int(10));
    std::shared_ptr<int> p2(p1);
    //输出 p2 指向的数据
    cout << \*p2 << endl;
    p1.reset();//引用计数减 1,p1为空指针
    if (p1) {
        cout << "p1 不为空" << endl;
    }
    else {
        cout << "p1 为空" << endl;
    }
    //以上操作，并不会影响 p2
    cout << \*p2 << endl;
    //判断当前和 p2 同指向的智能指针有多少个
    cout << p2.use\_count() << endl;
    return 0;
}

程序执行结果为：

10
p1 为空
10
1

C++11 unique_ptr智能指针

在《C++11 shared_ptr智能指针》的基础上，本节继续讲解 C++11 标准提供的另一种智能指针，即 unique_ptr 智能指针。

作为智能指针的一种，unique_ptr 指针自然也具备“在适当时机自动释放堆内存空间”的能力。和 shared_ptr 指针最大的不同之处在于，unique_ptr 指针指向的堆内存无法同其它 unique_ptr 共享，也就是说，每个 unique_ptr 指针都独自拥有对其所指堆内存空间的所有权。

这也就意味着，每个 unique_ptr 指针指向的堆内存空间的引用计数，都只能为 1，一旦该 unique_ptr 指针放弃对所指堆内存空间的所有权，则该空间会被立即释放回收。

unique_ptr 智能指针是以模板类的形式提供的，unique_ptr（T 为指针所指数据的类型）定义在<memory>头文件，并位于 std 命名空间中。因此，要想使用 unique_ptr 类型指针，程序中应首先包含如下 2 条语句：

#include <memory>
using namespace std;

第 2 句并不是必须的，可以不添加，则后续在使用 unique_ptr 指针时，必须标注std::。

unique_ptr智能指针的创建

考虑到不同实际场景的需要，unique_ptr 模板类提供了多个实用的构造函数，这里给读者列举了几种常用的构造 unique_ptr 智能指针的方式。

1. 通过以下 2 种方式，可以创建出空的 unique_ptr 指针：

std::unique_ptr<int> p1();
std::unique_ptr<int> p2(nullptr);

2. 创建 unique_ptr 指针的同时，也可以明确其指向。例如：

std::unique_ptr<int> p3(new int);

由此就创建出了一个 p3 智能指针，其指向的是可容纳 1 个整数的堆存储空间。

和可以用 make_shared() 模板函数初始化 shared_ptr 指针不同，C++11 标准中并没有为 unique_ptr 类型指针添加类似的模板函数。

3. 基于 unique_ptr 类型指针不共享各自拥有的堆内存，因此 C++11 标准中的 unique_ptr 模板类没有提供拷贝构造函数，只提供了移动构造函数。例如：

std::unique_ptr<int> p4(new int);
std::unique_ptr<int> p5(p4);//错误，堆内存不共享
std::unique_ptr<int> p5(std::move(p4));//正确，调用移动构造函数

值得一提的是，对于调用移动构造函数的 p4 和 p5 来说，p5 将获取 p4 所指堆空间的所有权，而 p4 将变成空指针（nullptr）。

4. 默认情况下，unique_ptr 指针采用 std::default_delete 方法释放堆内存。当然，我们也可以自定义符合实际场景的释放规则。值得一提的是，和 shared_ptr 指针不同，为 unique_ptr 自定义释放规则，只能采用函数对象的方式。例如：

//自定义的释放规则
struct myDel
{
    void operator()(int \*p) {
        delete p;
    }
};
std::unique_ptr<int, myDel> p6(new int);
//std::unique\_ptr<int, myDel> p6(new int, myDel());

unique_ptr模板类提供的成员方法

为了方便用户使用 unique_ptr 智能指针，unique_ptr 模板类还提供有一些实用的成员方法，它们各自的功能如表 1 所示。

成员函数名	功 能
operator*()	获取当前 unique_ptr 指针指向的数据。
operator->()	重载 -> 号，当智能指针指向的数据类型为自定义的结构体时，通过 -> 运算符可以获取其内部的指定成员。
operator =()	重载了 = 赋值号，从而可以将 nullptr 或者一个右值 unique_ptr 指针直接赋值给当前同类型的 unique_ptr 指针。
operator	重载了 [] 运算符，当 unique_ptr 指针指向一个数组时，可以直接通过 [] 获取指定下标位置处的数据。
get()	获取当前 unique_ptr 指针内部包含的普通指针。
get_deleter()	获取当前 unique_ptr 指针释放堆内存空间所用的规则。
operator bool()	unique_ptr 指针可直接作为 if 语句的判断条件，以判断该指针是否为空，如果为空，则为 false；反之为 true。
release()	释放当前 unique_ptr 指针对所指堆内存的所有权，但该存储空间并不会被销毁。
reset§	其中 p 表示一个普通指针，如果 p 为 nullptr，则当前 unique_ptr 也变成空指针；反之，则该函数会释放当前 unique_ptr 指针指向的堆内存（如果有），然后获取 p 所指堆内存的所有权（p 为 nullptr）。
swap(x)	交换当前 unique_ptr 指针和同类型的 x 指针。

除此之外，C++11标准还支持同类型的 unique_ptr 指针之间，以及 unique_ptr 和 nullptr 之间，做 ==，!=，<，<=，>，>= 运算。

下面程序给大家演示了 unique_ptr 智能指针的基本用法，以及该模板类提供了一些成员方法的用法：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
    std::unique_ptr<int> p5(new int);
    \*p5 = 10;
    // p 接收 p5 释放的堆内存
    int \* p = p5.release();
    cout << \*p << endl;
    //判断 p5 是否为空指针
    if (p5) {
        cout << "p5 is not nullptr" << endl;
    }
    else {
        cout << "p5 is nullptr" << endl;
    }
    std::unique_ptr<int> p6;
    //p6 获取 p 的所有权
    p6.reset(p);
    cout << \*p6 << endl;;
    return 0;
}

程序执行结果为：

10
p5 is nullptr
10

C++11 weak_ptr智能指针

在 C++98/03 的基础上，C++11 标准新引入了 shared_ptr、unique_ptr 以及 weak_ptr 这 3 个智能指针。其中，shared_ptr 和 unique_ptr 已经在前面章节做了详细地介绍，本节重点讲解 weak_ptr 智能指针的特性和用法。

注意学习 weak_ptr 智能指针之前，读者必须对 shared_ptr 智能指针有一定的了解，可阅读《C++11 shared_ptr智能指针》一节；关于 unique_ptr 指针，读者可阅读《C++11 unique_ptr智能指针》一节做系统学习。

C++11 weak_ptr智能指针

和 shared_ptr、unique_ptr 类型指针一样，weak_ptr 智能指针也是以模板类的方式实现的。weak_ptr（ T 为指针所指数据的类型）定义在<memory>头文件，并位于 std 命名空间中。因此，要想使用 weak_ptr 类型指针，程序中应首先包含如下 2 条语句：

#include <memory>
using namespace std;

第 2 句并不是必须的，可以不添加，则后续在使用 unique_ptr 指针时，必须标注std::。

需要注意的是，C++11标准虽然将 weak_ptr 定位为智能指针的一种，但该类型指针通常不单独使用（没有实际用处），只能和 shared_ptr 类型指针搭配使用。甚至于，我们可以将 weak_ptr 类型指针视为 shared_ptr 指针的一种辅助工具，借助 weak_ptr 类型指针， 我们可以获取 shared_ptr 指针的一些状态信息，比如有多少指向相同的 shared_ptr 指针、shared_ptr 指针指向的堆内存是否已经被释放等等。

需要注意的是，当 weak_ptr 类型指针的指向和某一 shared_ptr 指针相同时，weak_ptr 指针并不会使所指堆内存的引用计数加 1；同样，当 weak_ptr 指针被释放时，之前所指堆内存的引用计数也不会因此而减 1。也就是说，weak_ptr 类型指针并不会影响所指堆内存空间的引用计数。

除此之外，weak_ptr 模板类中没有重载 * 和 -> 运算符，这也就意味着，weak_ptr 类型指针只能访问所指的堆内存，而无法修改它。

1、weak_ptr指针的创建

创建一个 weak_ptr 指针，有以下 3 种方式：

1. 可以创建一个空 weak_ptr 指针，例如：

std::weak_ptr<int> wp1;

2. 凭借已有的 weak_ptr 指针，可以创建一个新的 weak_ptr 指针，例如：

std::weak_ptr<int> wp2 (wp1);

若 wp1 为空指针，则 wp2 也为空指针；反之，如果 wp1 指向某一 shared_ptr 指针拥有的堆内存，则 wp2 也指向该块存储空间（可以访问，但无所有权）。

3. weak_ptr 指针更常用于指向某一 shared_ptr 指针拥有的堆内存，因为在构建 weak_ptr 指针对象时，可以利用已有的 shared_ptr 指针为其初始化。例如：

std::shared_ptr<int> sp (new int);
std::weak_ptr<int> wp3 (sp);

由此，wp3 指针和 sp 指针有相同的指针。再次强调，weak_ptr 类型指针不会导致堆内存空间的引用计数增加或减少。

2) weak_ptr模板类提供的成员方法

和 shared_ptr、unique_ptr 相比，weak_ptr 模板类提供的成员方法不多，表 1 罗列了常用的成员方法及各自的功能。

成员方法	功 能
operator=()	重载 = 赋值运算符，是的 weak_ptr 指针可以直接被 weak_ptr 或者 shared_ptr 类型指针赋值。
swap(x)	其中 x 表示一个同类型的 weak_ptr 类型指针，该函数可以互换 2 个同类型 weak_ptr 指针的内容。
reset()	将当前 weak_ptr 指针置为空指针。
use_count()	查看指向和当前 weak_ptr 指针相同的 shared_ptr 指针的数量。
expired()	判断当前 weak_ptr 指针为否过期（指针为空，或者指向的堆内存已经被释放）。
lock()	如果当前 weak_ptr 已经过期，则该函数会返回一个空的 shared_ptr 指针；反之，该函数返回一个和当前 weak_ptr 指向相同的 shared_ptr 指针。

再次强调，weak_ptr 模板类没有重载 * 和 -> 运算符，因此 weak_ptr 类型指针只能访问某一 shared_ptr 指针指向的堆内存空间，无法对其进行修改。

下面的样例演示了 weak_ptr 指针以及表 1 中部分成员方法的基本用法：

#include <iostream>
#include <memory>
using namespace std;
int main()
{
    std::shared_ptr<int> sp1(new int(10));
    std::shared_ptr<int> sp2(sp1);
    std::weak_ptr<int> wp(sp2);
    //输出和 wp 同指向的 shared\_ptr 类型指针的数量
    cout << wp.use\_count() << endl;
    //释放 sp2
    sp2.reset();
    cout << wp.use\_count() << endl;
    //借助 lock() 函数，返回一个和 wp 同指向的 shared\_ptr 类型指针，获取其存储的数据
    cout << \*(wp.lock()) << endl;
    return 0;
}

程序执行结果为：

2
1
10

有关表 1 中其它成员函数的用法，感兴趣的读者可直接查看 weak_ptr 官网。

C++14 新特性总结

函数返回值类型推导

C++14对函数返回类型推导规则做了优化，先看一段代码：

#include <iostream>

using namespace std;

auto func(int i) {
    return i;
}

int main() {
    cout << func(4) << endl;
    return 0;
}

使用C++11编译：

~/test$ g++ test.cc -std=c++11
test.cc:5:16: error: ‘func’ function uses ‘auto’ type specifier without trailing return type

 auto func(int i) {
                ^
test.cc:5:16: note: deduced return type only available with -std=c++14 or -std=gnu++14

上面的代码使用C++11是不能通过编译的，通过编译器输出的信息也可以看见这个特性需要到C++14才被支持。

返回值类型推导也可以用在模板中：

#include <iostream>
using namespace std;

template<typename T> auto func(T t) { return t; }

int main() {
    cout << func(4) << endl;
    cout << func(3.4) << endl;
    return 0;
}

注意：

）函数内如果有多个return语句，它们必须返回相同的类型，否则编译失败。

auto func(bool flag) {
    if (flag) return 1;
    else return 2.3; // error
}
// inconsistent deduction for auto return type: ‘int’ and then ‘double’

）如果return语句返回初始化列表，返回值类型推导也会失败

auto func() {
    return {1, 2, 3}; // error returning initializer list
}

) 如果函数是虚函数，不能使用返回值类型推导

struct A {
    // error: virtual function cannot have deduced return type
    virtual auto func() { return 1; } 
}

） 返回类型推导可以用在前向声明中，但是在使用它们之前，翻译单元中必须能够得到函数定义

auto f();               // declared, not yet defined
auto f() { return 42; } // defined, return type is int

int main() {
    cout << f() << endl;
}

）返回类型推导可以用在递归函数中，但是递归调用必须以至少一个返回语句作为先导，以便编译器推导出返回类型。

auto sum(int i) {
    if (i == 1)
        return i;              // return int
    else
        return sum(i - 1) + i; // ok
}

lambda参数auto

在C++11中，lambda表达式参数需要使用具体的类型声明：

auto f = [] (int a) { return a; }

在C++14中，对此进行优化，lambda表达式参数可以直接是auto：

auto f = [] (auto a) { return a; };
cout << f(1) << endl;
cout << f(2.3f) << endl;

变量模板

C++14支持变量模板：

template<class T>
constexpr T pi = T(3.1415926535897932385L);

int main() {
    cout << pi<int> << endl; // 3
    cout << pi<double> << endl; // 3.14159
    return 0;
}

别名模板

C++14也支持别名模板：

template<typename T, typename U>
struct A {
    T t;
    U u;
};

template<typename T>
using B = A<T, int>;

int main() {
    B<double> b;
    b.t = 10;
    b.u = 20;
    cout << b.t << endl;
    cout << b.u << endl;
    return 0;
}

constexpr的限制

C++14相较于C++11对constexpr减少了一些限制：

）C++11中constexpr函数可以使用递归，在C++14中可以使用局部变量和循环

constexpr int factorial(int n) { // C++14 和 C++11均可
    return n <= 1 ? 1 : (n \* factorial(n - 1));
}

在C++14中可以这样做：

constexpr int factorial(int n) { // C++11中不可，C++14中可以
    int ret = 0;
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        ret += i;
    }
    return ret;
}

）C++11中constexpr函数必须必须把所有东西都放在一个单独的return语句中，而constexpr则无此限制：

constexpr int func(bool flag) { // C++14 和 C++11均可
    return 0;
}

在C++14中可以这样：

constexpr int func(bool flag) { // C++11中不可，C++14中可以
    if (flag) return 1;
    else return 0;
}

[[deprecated]]标记

C++14中增加了deprecated标记，修饰类、变、函数等，当程序中使用到了被其修饰的代码时，编译时被产生警告，用户提示开发者该标记修饰的内容将来可能会被丢弃，尽量不要使用。

struct [[deprecated]] A { };

int main() {
    A a;
    return 0;
}

当编译时，会出现如下警告：

~/test$ g++ test.cc -std=c++14
test.cc: In function ‘int main()’:
test.cc:11:7: warning: ‘A’ is deprecated [-Wdeprecated-declarations]
     A a;
       ^
test.cc:6:23: note: declared here
 struct [[deprecated]] A {

二进制字面量与整形字面量分隔符

C++14引入了二进制字面量，也引入了分隔符，防止看起来眼花哈~

int a = 0b0001'0011'1010;
double b = 3.14'1234'1234'1234;

std::make_unique

我们都知道C++11中有std::make_shared，却没有std::make_unique，在C++14已经改善。

struct A {};
std::unique_ptr<A> ptr = std::make\_unique<A>();

std::shared_timed_mutex与std::shared_lock

C++14通过std::shared_timed_mutex和std::shared_lock来实现读写锁，保证多个线程可以同时读，但是写线程必须独立运行，写操作不可以同时和读操作一起进行。

实现方式如下：

struct ThreadSafe {
    mutable std::shared_timed_mutex mutex_;
    int value_;

    ThreadSafe() {
        value_ = 0;
    }

    int get() const {
        std::shared_lock<std::shared_timed_mutex> loc(mutex_);
        return value_;
    }

    void increase() {
        std::unique_lock<std::shared_timed_mutex> lock(mutex_);
        value_ += 1;
    }
};

为什么是timed的锁呢，因为可以带超时时间，具体可以自行查询相关资料哈，网上有很多。

std::integer_sequence

template<typename T, T... ints>
void print\_sequence(std::integer_sequence<T, ints...> int_seq)
{
    std::cout << "The sequence of size " << int_seq.size() << ": ";
    ((std::cout << ints << ' '), ...);
    std::cout << '\n';
}

int main() {
    print\_sequence(std::integer_sequence<int, 9, 2, 5, 1, 9, 1, 6>{});
    return 0;
}

输出：7 9 2 5 1 9 1 6

std::integer_sequence和std::tuple的配合使用：

template <std::size_t... Is, typename F, typename T>
auto map\_filter\_tuple(F f, T& t) {
    return std::make\_tuple(f(std::get<Is>(t))...);
}

template <std::size_t... Is, typename F, typename T>
auto map\_filter\_tuple(std::index_sequence<Is...>, F f, T& t) {
    return std::make\_tuple(f(std::get<Is>(t))...);
}

template <typename S, typename F, typename T>
auto map\_filter\_tuple(F&& f, T& t) {
    return map\_filter\_tuple(S{}, std::forward<F>(f), t);
}

std::exchange

直接看代码吧：

int main() {
    std::vector<int> v;
    std::exchange(v, {1,2,3,4});
    cout << v.size() << endl;
    for (int a : v) {
        cout << a << " ";
    }
    return 0;
}

看样子貌似和std::swap作用相同，那它俩有什么区别呢？

可以看下exchange的实现：

template<class T, class U = T>
constexpr T exchange(T& obj, U&& new_value) {
    T old_value = std::move(obj);
    obj = std::forward<U>(new_value);
    return old_value;
}

可以看见new_value的值给了obj，而没有对new_value赋值，这里相信您已经知道了它和swap的区别了吧！

std::quoted

C++14引入std::quoted用于给字符串添加双引号，直接看代码：

int main() {
    string str = "hello world";
    cout << str << endl;
    cout << std::quoted(str) << endl;
    return 0;
}

编译&输出：

~/test$ g++ test.cc -std=c++14
~/test$ ./a.out
hello world
"hello world"

C++17新特性总结

主要新特性如下：

• 构造函数模板推导
• 结构化绑定
• if-switch语句初始化
• 内联变量
• 折叠表达式
• constexpr lambda表达式
• namespace嵌套
• __has_include预处理表达式
• 在lambda表达式用*this捕获对象副本
• 新增Attribute
• 字符串转换
• std::variant
• std::optional
• std::any
• std::apply
• std::make_from_tuple
• as_const
• std::string_view
• file_system
• std::shared_mutex

下面程序喵一一介绍：

构造函数模板推导

在C++17前构造一个模板类对象需要指明类型：

pair<int, double> p(1, 2.2); // before c++17

C++17就不需要特殊指定，直接可以推导出类型，代码如下：

pair p(1, 2.2); // c++17 自动推导
vector v = {1, 2, 3}; // c++17

结构化绑定

通过结构化绑定，对于tuple、map等类型，获取相应值会方便很多，看代码：

std::tuple<int, double> func() {
    return std::tuple(1, 2.2);
}

int main() {
    auto[i, d] = func(); //是C++11的tie吗？更高级
    cout << i << endl;
    cout << d << endl;
}

//==========================
void f() {
    map<int, string> m = {
      {0, "a"},
      {1, "b"},  
    };
    for (const auto &[i, s] : m) {
        cout << i << " " << s << endl;
    }
}

// ====================
int main() {
    std::pair a(1, 2.3f);
    auto[i, f] = a;
    cout << i << endl; // 1
    cout << f << endl; // 2.3f
    return 0;
}

结构化绑定还可以改变对象的值，使用引用即可：

// 进化，可以通过结构化绑定改变对象的值
int main() {
    std::pair a(1, 2.3f);
    auto& [i, f] = a;
    i = 2;
    cout << a.first << endl; // 2 
}

注意结构化绑定不能应用于constexpr

constexpr auto[x, y] = std::pair(1, 2.3f); // compile error, C++20可以

结构化绑定不止可以绑定pair和tuple，还可以绑定数组和结构体等

int array[3] = {1, 2, 3};
auto [a, b, c] = array;
cout << a << " " << b << " " << c << endl;

// 注意这里的struct的成员一定要是public的
struct Point {
    int x;
    int y;
};
Point func() {
    return {1, 2};
}
const auto [x, y] = func();

这里其实可以实现自定义类的结构化绑定，代码如下：

// 需要实现相关的tuple\_size和tuple\_element和get<N>方法。
class Entry {
public:
    void Init() {
        name_ = "name";
        age_ = 10;
    }

    std::string GetName() const { return name_; }
    int GetAge() const { return age_; }
private:
    std::string name_;
    int age_;
};

template <size_t I>
auto get(const Entry& e) {
    if constexpr (I == 0) return e.GetName();
    else if constexpr (I == 1) return e.GetAge();
}

namespace std {
    template<> struct tuple\_size<Entry> : integral_constant<size_t, 2> {};
    template<> struct tuple\_element<0, Entry> { using type = std::string; };
    template<> struct tuple\_element<1, Entry> { using type = int; };
}

int main() {
    Entry e;
    e.Init();
    auto [name, age] = e;
    cout << name << " " << age << endl; // name 10
    return 0;
}

if-switch语句初始化

C++17前if语句需要这样写代码：

int a = GetValue();
if (a < 101) {
    cout << a;
}

C++17之后可以这样：

// if (init; condition)

if (int a = GetValue()); a < 101) {
    cout << a;
}

string str = "Hi World";
if (auto [pos, size] = pair(str.find("Hi"), str.size()); pos != string::npos) {
    std::cout << pos << " Hello, size is " << size;
}

使用这种方式可以尽可能约束作用域，让代码更简洁，可读性可能略有下降，但是还好

内联变量

C++17前只有内联函数，现在有了内联变量，我们印象中C++类的静态成员变量在头文件中是不能初始化的，但是有了内联变量，就可以达到此目的：

// header file
struct A {
    static const int value;  
};
inline int const A::value = 10;

// ==========或者========
struct A {
    inline static const int value = 10;
}

折叠表达式

C++17引入了折叠表达式使可变参数模板编程更方便：

template <typename ... Ts>
auto sum(Ts ... ts) {
    return (ts + ...);
}
int a {sum(1, 2, 3, 4, 5)}; // 15
std::string a{"hello "};
std::string b{"world"};
cout << sum(a, b) << endl; // hello world

constexpr lambda表达式

C++17前lambda表达式只能在运行时使用，C++17引入了constexpr lambda表达式，可以用于在编译期进行计算。

int main() { // c++17可编译
    constexpr auto lamb = [] (int n) { return n \* n; };
    static\_assert(lamb(3) == 9, "a");
}

注意：constexpr函数有如下限制：

函数体不能包含汇编语句、goto语句、label、try块、静态变量、线程局部存储、没有初始化的普通变量，不能动态分配内存，不能有new delete等，不能虚函数。

namespace嵌套

namespace A {
    namespace B {
        namespace C {
            void func();
        }
    }
}

// c++17，更方便更舒适
namespace A::B::C {
    void func();)
}

__has_include预处理表达式

可以判断是否有某个头文件，代码可能会在不同编译器下工作，不同编译器的可用头文件有可能不同，所以可以使用此来判断：

#if defined \_\_has\_include
#if \_\_has\_include(<charconv>)
#define has\_charconv 1
#include <charconv>
#endif
#endif

std::optional<int> ConvertToInt(const std::string& str) {
    int value{};
#ifdef has\_charconv
    const auto last = str.data() + str.size();
    const auto res = std::from\_chars(str.data(), last, value);
    if (res.ec == std::errc{} && res.ptr == last) return value;
#else
    // alternative implementation...
    其它方式实现
#endif
    return std::nullopt;
}

在lambda表达式用*this捕获对象副本

正常情况下，lambda表达式中访问类的对象成员变量需要捕获this，但是这里捕获的是this指针，指向的是对象的引用，正常情况下可能没问题，但是如果多线程情况下，函数的作用域超过了对象的作用域，对象已经被析构了，还访问了成员变量，就会有问题。

struct A {
    int a;
    void func() {
        auto f = [this] {
            cout << a << endl;
        };
        f();
    }  
};
int main() {
    A a;
    a.func();
    return 0;
}

所以C++17增加了新特性，捕获*this，不持有this指针，而是持有对象的拷贝，这样生命周期就与对象的生命周期不相关啦。

struct A {
    int a;
    void func() {
        auto f = [\*this] { // 这里
            cout << a << endl;
        };
        f();
    }  
};
int main() {
    A a;
    a.func();
    return 0;
}

新增Attribute

我们可能平时在项目中见过__declspec, attribute , #pragma指示符，使用它们来给编译器提供一些额外的信息，来产生一些优化或特定的代码，也可以给其它开发者一些提示信息。

例如：

struct A { short f[3]; } \_\_attribute\_\_((aligned(8)));

void fatal() \_\_attribute\_\_((noreturn));

在C++11和C++14中有更方便的方法：

[[carries_dependency]] 让编译期跳过不必要的内存栅栏指令
[[noreturn]] 函数不会返回
[[deprecated]] 函数将弃用的警告

[[noreturn]] void terminate() noexcept;
[[deprecated("use new func instead")]] void func() {}

C++17又新增了三个：

[[fallthrough]]，用在switch中提示可以直接落下去，不需要break，让编译期忽略警告

switch (i) {}
    case 1:
        xxx; // warning
    case 2:
        xxx; 
        [[fallthrough]];      // 警告消除
    case 3:
        xxx;
       break;
}

使得编译器和其它开发者都可以理解开发者的意图。

[[nodiscard]] ：表示修饰的内容不能被忽略，可用于修饰函数，标明返回值一定要被处理

[[nodiscard]] int func();
void F() {
    func(); // warning 没有处理函数返回值
}

[[maybe_unused]] ：提示编译器修饰的内容可能暂时没有使用，避免产生警告

void func1() {}
[[maybe_unused]] void func2() {} // 警告消除
void func3() {
    int x = 1;
    [[maybe_unused]] int y = 2; // 警告消除
}

字符串转换

新增from_chars函数和to_chars函数，直接看代码：

#include <charconv>

int main() {
    const std::string str{"123456098"};
    int value = 0;
    const auto res = std::from\_chars(str.data(), str.data() + 4, value);
    if (res.ec == std::errc()) {
        cout << value << ", distance " << res.ptr - str.data() << endl;
    } else if (res.ec == std::errc::invalid_argument) {
        cout << "invalid" << endl;
    }
    str = std::string("12.34);
    double val = 0;
    const auto format = std::chars_format::general;
    res = std::from\_chars(str.data(), str.data() + str.size(), value, format);
    
    str = std::string("xxxxxxxx");
    const int v = 1234;
    res = std::to\_chars(str.data(), str.data() + str.size(), v);
    cout << str << ", filled " << res.ptr - str.data() << " characters \n";
    // 1234xxxx, filled 4 characters
}

std::variant

C++17增加std::variant实现类似union的功能，但却比union更高级，举个例子union里面不能有string这种类型，但std::variant却可以，还可以支持更多复杂类型，如map等，看代码：

int main() { // c++17可编译
    std::variant<int, std::string> var("hello");
    cout << var.index() << endl;
    var = 123;
    cout << var.index() << endl;

    try {
        var = "world";
        std::string str = std::get<std::string>(var); // 通过类型获取值
        var = 3;
        int i = std::get<0>(var); // 通过index获取对应值
        cout << str << endl;
        cout << i << endl;
    } catch(...) {
        // xxx;
    }
    return 0;
}

注意：一般情况下variant的第一个类型一般要有对应的构造函数，否则编译失败：

struct A {
    A(int i){}  
};
int main() {
    std::variant<A, int> var; // 编译失败
}

如何避免这种情况呢，可以使用std::monostate来打个桩，模拟一个空状态。

std::variant<std::monostate, A> var; // 可以编译成功

std::optional

我们有时候可能会有需求，让函数返回一个对象，如下：

struct A {};
A func() {
    if (flag) return A();
    else {
        // 异常情况下，怎么返回异常值呢，想返回个空呢
    }
}

有一种办法是返回对象指针，异常情况下就可以返回nullptr啦，但是这就涉及到了内存管理，也许你会使用智能指针，但这里其实有更方便的办法就是std::optional。

std::optional<int> StoI(const std::string &s) {
    try {
        return std::stoi(s);
    } catch(...) {
        return std::nullopt;
    }
}

void func() {
    std::string s{"123"};
    std::optional<int> o = StoI(s);
    if (o) {
        cout << \*o << endl;
    } else {
        cout << "error" << endl;
    }
}

std::any

C++17引入了any可以存储任何类型的单个值，见代码：

int main() { // c++17可编译
    std::any a = 1;
    cout << a.type().name() << " " << std::any\_cast<int>(a) << endl;
    a = 2.2f;
    cout << a.type().name() << " " << std::any\_cast<float>(a) << endl;
    if (a.has\_value()) {
        cout << a.type().name();
    }
    a.reset();
    if (a.has\_value()) {
        cout << a.type().name();
    }
    a = std::string("a");
    cout << a.type().name() << " " << std::any\_cast<std::string>(a) << endl;
    return 0;
}

std::apply

使用std::apply可以将tuple展开作为函数的参数传入，见代码：

int add(int first, int second) { return first + second; }

auto add_lambda = [](auto first, auto second) { return first + second; };

int main() {
    std::cout << std::apply(add, std::pair(1, 2)) << '\n';
    std::cout << add(std::pair(1, 2)) << "\n"; // error
    std::cout << std::apply(add_lambda, std::tuple(2.0f, 3.0f)) << '\n';
}

std::make_from_tuple

使用make_from_tuple可以将tuple展开作为构造函数参数

struct Foo {
    Foo(int first, float second, int third) {
        std::cout << first << ", " << second << ", " << third << "\n";
    }
};
int main() {
   auto tuple = std::make\_tuple(42, 3.14f, 0);
   std::make\_from\_tuple<Foo>(std::move(tuple));
}

std::string_view

通常我们传递一个string时会触发对象的拷贝操作，大字符串的拷贝赋值操作会触发堆内存分配，很影响运行效率，有了string_view就可以避免拷贝操作，平时传递过程中传递string_view即可。

void func(std::string_view stv) { cout << stv << endl; }

int main(void) {
    std::string str = "Hello World";
    std::cout << str << std::endl;

    std::string_view stv(str.c\_str(), str.size());
    cout << stv << endl;
    func(stv);
    return 0;
}

as_const

C++17使用as_const可以将左值转成const类型

std::string str = "str";
const std::string& constStr = std::as\_const(str);

file_system

C++17正式将file_system纳入标准中，提供了关于文件的大多数功能，基本上应有尽有，这里简单举几个例子：

namespace fs = std::filesystem;
fs::create\_directory(dir_path);
fs::copy\_file(src, dst, fs::copy_options::skip_existing);
fs::exists(filename);
fs::current\_path(err_code);

std::shared_mutex

C++17引入了shared_mutex，可以实现读写锁

C++20 新增特性总结

• 新增关键字(keywords)
• 新增标识符(Identifies)
• 模块(Modules)
• • 优点
    • 创建模块
    • 引用模块
    • import 头文件
• Ranges
• • 例子
• 协程(Coroutines)
• • 什么是协程
    • 例子(VC++)
• Concepts
• • 如何定义
    • 使用
    • 例子
• Lambda 表达式的更新
• • [=, this] 需要显式捕获this变量
    • 模板形式的 Lambda 表达式
    • Lambda 表达式打包捕获(Pack Expansion)
• 常量表达式(constexpr) 的更新
• • constexpr string & vector
• 原子(Atomic)智能指针
• • 例子
• 自动合流(Joining), 可中断(Cancellable) 的线程
• • 例子
• C++20 同步(Synchronization)库
• • std::atomic_ref
• 其他更新
• • 指定初始化(Designated Initializers)
    • 航天飞机操作符 <=>
    • 范围 for 循环语句支持初始化
    • 非类型模板形参支持字符串
    • [[likely]], [[unlikely]]
    • 日历(Calendar)和时区(Timezone)功能
    • std::span
    • 特性测试宏
    • consteval 函数
    • constinit
    • 用 using 引用 enum 类型
    • 格式化库(std::format)
    • 增加数学常量
    • std::source_location
    • [[nodiscard(reason)]]
    • 位运算
    • 一些小更新
• 参考资料

---

新增关键字(keywords)

• concept
• requires
• constinit
• consteval
• co_await
• co_return
• co_yield
• char8_t

新增标识符(Identifies)

• import
• module

模块(Modules)

优点

• 没有头文件
• 声明实现仍然可分离, 但非必要
• 可以显式指定那些导出(类, 函数等)
• 不需要头文件重复引入宏 (include guards)
• 模块之间名称可以相同不会冲突
• 模块只处理一次, 编译更快 (头文件每次引入都需要处理)
• 预处理宏只在模块内有效
• 模块引入顺序无关紧要

创建模块

// cppcon.cpp 
export module cppcon; 
namespace CppCon { 
    auto GetWelcomeHelper() {  return "Welcome to CppCon 2019!";  } 
    export auto GetWelcome() { return GetWelcomeHelper();} 
}

引用模块

// main.cpp 
import cppcon; 
int main(){ 
    std::cout << CppCon::GetWelcome(); 
}

import 头文件

• import
• 隐式地将 iostream 转换为模块
• 加速构建, 因为 iostream 只会处理一次
• 和预编译头 (PCH) 具有相似的效果

Ranges

Ranges 是什么 ?

• Range 代表一串元素, 或者一串元素中的一段
• 类似 begin/end 对

好处:

• 简化语法和方便使用

vector<int> data{11, 22, 33}; 
sort(begin(data), end(data)); 
sort(data); // 使用 Ranges

• 防止 begin/end 不配对
• 使变换/过滤等串联操作成为可能

相关功能

• 视图(View): 延迟计算, 不持有, 不改写
• Actions: 即时处理(eagerly evaluated), 改写
• Algorithms: 所有接受 begin/end 对的算法都可用
• Views 和 actions 使用管道符|串联

例子

• 串联视图

vector<int> data {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}; 
auto result = data | 
              views::remove\_if([](int i) { return i % 2 == 1;}) | 
              views::transform([](int i) { return to\_string(i);}); 
// result = {"2", "4", "6", "8", "10" };
// 注意 以上操作被延迟, 当你遍历result的时候才触发

• 串联actions

vector<int> data{4, 3, 4, 1, 8, 0, 8}; 
vector<int> result = data | actions::sort | actions::unique;

• • 排序然后去重
    • 操作会原地对data进行更改, 然后返回
• 过滤和变换

int total = accumulate (
                        view::ints(1) | 
                        view::transform([](int i) {return i \* i;}) | 
                        view::take(10), 
                        0);

• • view::ints(1) 产生一个无限的整型数列
    • 平方
    • 取前10个元素, 然后累加(accumulate)
      所有的计算延迟到accumulate累加遍历的时候发生

协程(Coroutines)

什么是协程

• 它是一个函数
• 具备如下关键字之一:
• • co_wait: 挂起协程, 等待其它计算完成
    • co_return: 从协程返回 (协程 return 禁止使用)
    • co_yield: 同 python yield, 弹出一个值, 挂起协程, 下一次调用继续协程的运行
    • for co_await 循环体

for co\_await (for-range-declaration: expression) statement

用处

• 简化如下问题的实现:
• • generator
    • 异步I/O
    • 延迟计算
    • 事件驱动的程序

例子(VC++)

experimental::generator<int> GetSequenceGenerator( 
    int startValue, 
    size_t numberOfValues) { 
    for (int i = 0 startValue; i < startValue + numberOfValues; ++i){ 
        time_t t = system_clock::to\_time\_t(system_clock::now()); 
        cout << std:: ctime(&t); co\_yield i; 
    } 
} 
int main() {
    auto gen = GetSequenceGenerator(10, 5); 
    for (const auto& value : gen) { 
        cout << value << "(Press enter for next value)" << endl; 
        cin.ignore(); 
    } 
}

Concepts

• 对模板类和函数的模板形参的约束
• 编译期断言
• 可声明多个

如何定义

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

使用

template<Incrementable T> 
void Foo(T t); 

template<typename T> requires Incrementable<T> 
void Foo(T t); 

template<typename T> 
void Foo(T t) requires Incrementable<T>; 

void Foo(Incrementable auto t);

例子

• 具备size() 方法, 且返回size_t

template <typename T> concept HasSize = requires (T x){ 
    {x.size()} -> std::convertible_to<std::size_t>; 
};

• 组合concept

template<typename T> 
requires Incrementable<T> && Decrementable<T> 
void Foo(T t); 
// or 
template<typename T> 
concept Incr\_Decrementable = Incrementable<T> && Decrementable<T>; 

template<Incr_Decrementable T> 
void Foo(T t);

Lambda 表达式的更新

[=, this] 需要显式捕获this变量

• C++20 之前 [=] 隐式捕获this
• C++20 开始 需要显式捕获this: [=, this]

模板形式的 Lambda 表达式

可以在lambda表达式中使用模板语法

[]template<T>(T x) {/\* ... \*/}; 
[]template<T>(T\* p) {/\* ... \*/}; 
[]template<T, int N>(T (&a)[N]) {/\* ... \*/};

原因1

• C++20之前: 获取 vector 元素类型, 你需要这么写

auto func = [](auto vec){ 
    using T = typename decltype(vec)::value_type; 
}

• C++20 你可以:

auto func = []<typename T>(vector<T> vec){ 
    // ... 
}

原因2: 方便获取通用lambda形参类型, 访问静态函数

• c++20 以前

auto func = [](auto const& x){ 
    using T = std::decay_t<decltype(x)>; 
    T copy = x; T::static\_function(); 
    using Iterator = typename T::iterator; 
}

• C++20 开始

auto func = []<typename T>(const T& x){ 
    T copy = x; T::static\_function(); 
    using Iterator = typename T::iterator; 
}

原因3: 完美转发

• pre C++20:

auto func = [](auto&& ...args) { 
    return foo(std::forward<decltype(args)>(args)...); 
}

• since C++20

auto func = []<typename …T>(T&& …args){ 
    return foo(std::forward(args)...); 
}

Lambda 表达式捕获支持打包展开(Pack Expansion)

• Pre C++20

template<class F, class... Args> 
auto delay\_invoke(F f, Args... args){ 
    return [f, args...]{ 
        return std::invoke(f, args...); 
    } 
}

• Since C++20

template<class F, class... Args> 
auto delay\_invoke(F f, Args... args){ 
    // Pack Expansion: args = std::move(args)... 
    return [f = std::move(f), args = std::move(args)...](){ 
        return std::invoke(f, args...); 
    } 
}

常量表达式(constexpr) 的更新

• constexpr 虚函数
• • constexpr 的虚函数可以重写非 constexpr 的虚函数
    • 非 constexpr 虚函数可以重写 constexpr 的虚函数
• constexpr 函数可以:
• • 使用 dynamic_cast() 和 typeid
    • 动态内存分配
    • 更改union成员的值
    • 包含 try/catch
    • • 但是**不允许****throw**语句
        • 在触发常量求值的时候 try/catch 不发生作用
        • 需要开启 constexpr std::vector

constexpr string & vector

• std::string 和 std::vector 类型现在可以作为 constexpr
• 未来需要支持 constexpr 反射

原子(Atomic)智能指针

• 智能指针(shared_ptr)线程安全吗?
• • 是: 引用计数控制单元线程安全, 保证对象只被释放一次
    • 否: 对于数据的读写没有线程安全
• 如何将智能指针变成线程安全?
• • 使用 mutex 控制智能指针的访问
    • 使用全局非成员原子操作函数访问, 诸如: std::atomic_load(), atomic_store(), …
    • • 缺点: 容易出错, 忘记使用这些操作
    • C++20: atomic<shared_ptr<T>>, atomic<weak_ptr<T>>
    • • 内部原理可能使用了mutex
        • 全局非成员原子操作函数标记为不推荐使用(deprecated)

例子

template<typename T> 
class concurrent\_stack { 
    struct Node { 
        T t; 
        shared_ptr<Node> next; 
    }; 
    atomic_shared_ptr<Node> head; 
    // C++11: 去掉 "atomic\_" 并且在访问时, 需要用 
    // 特殊的函数控制线程安全, 例如用std::tomic\_load 
public: 
    class reference { 
        shared_ptr<Node> p; 
        <snip> 
    }; 
    auto find(T t) const { 
        auto p = head.load(); // C++11: atomic\_load(&head) 
        while (p && p->t != t) 
            p = p->next; 
        return reference(move(p)); 
    } 
    auto front() const { 
        return reference(head); 
    } 
    void push\_front(T t) { 
        auto p = make\_shared<Node>(); 
        p->t = t; p->next = head; 
        while (!head.compare\_exchange\_weak(p->next, p)){ 
    } // C++11: atomic\_compare\_exchange\_weak(&head, &p->next, p); } 
    void pop\_front() { 
        auto p = head.load(); 
        while (p && !head.compare\_exchange\_weak(p, p->next)) {
        } // C++11: atomic\_compare\_exchange\_weak(&head, &p, p->next); 
    } 
};

例子来自 Herb Sutter 的 N4162 论文

自动合流(Joining), 可中断(Cancellable) 的线程

• std::jthread
• • 头文件
    • 支持中断
    • 析构函数中自动 Join
    • • 析构函数调用 stop_source.request_stop() 然后 join()
• 中断线程执行
• • 头文件 <stop_token>
    • std::stop_token
    • • 用来查询线程是否中断
        • 可以和condition_variable_any配合使用
    • std::stop_source
    • • 用来请求线程停止运行
        • stop_resources 和 stop_tokens 都可以查询到停止请求
    • std::stop_callback
    • • 如果对应的stop_token 被要求终止, 将会触发回调函数
        • 用法: std::stop_callback myCallback(myStopToken, []{ /* … */ });

例子

• 自动合流 Join

std::thread 在析构函数中如果线程 joinable() 会直接调用 std::terminate() 直接导致程序退出

void DoWorkPreCpp20() { 
    std::thread job([] { /\* ... \*/ }); 
    try { 
        // ... Do something else ... 
    } catch (...) { 
        job.join(); 
        throw; // rethrow 
    } 
    job.join(); 
} 

void DoWork() { 
    std::jthread job([] { /\* ... \*/ }); 
    // ... Do something else ... 
} // jthread destructor automatically calls join()

• 中断

std::jthread job([](std::stop_token token) {
    while (!token.stop\_requested()) { 
        //... 
    } 
}); 
//... job.request\_stop(); 
// auto source = job.get\_stop\_source() 
// auto token = job.get\_stop\_token()

C++20 同步(Synchronization)库

• 信号量(Semaphore), 维基百科请走这里
• • 头文件
    • 轻量级的同步原语
    • 可用来实现任何其他同步概念, 如: mutex, latches, barriers, …
    • 两种类型:
    • • 多元信号量(counting semaphore): 建模非负值资源计数
        • 二元信号量(binary semaphore): 只有一个插孔, 两种状态, 最适合实现mutex
• std::atomic 等待和通知接口
• • 等待/阻塞在原子对象直到其值发生改变, 通过通知函数发送通知
    • 比轮训(polling)来的更高效
    • 方法
    • • wait()
        • notify_one()
        • notify_all()
• 锁存器(Latch)和屏障(Barrier)
• • 辅助线程条件同步
• 锁存器(Latches)
• • 头文件
    • 线程的同步点
    • • 线程将阻塞在这个位置, 直到到达的线程个数达标才放行, 放行之后不再关闭
    • 锁存器只会作用一次
• 屏障(Barriers)
• • • 多个阶段
    • 每个阶段中
    • • 一个参与者运行至屏障点时被阻塞，需要等待其他参与者都到达屏障点, 当到达线程数达标之后
        • 阶段完成的回调将被执行
        • 线程计数器被重置
        • 开启下一阶段
        • 线程得以继续执行

std::atomic_ref

• 头文件
• Atomic 引用
• 通过引用访问变为原子操作, 被引用对象可以为非原子类型

其他更新

指定初始化(Designated Initializers)

struct Data { 
    int anInt = 0; 
    std::string aString; 
}; 
Data d{ .aString = "Hello" };

航天飞机操作符 <=>

• 正规名称: 三路比较运算符
• 三路比较结果如下
• • (a <=> b) < 0 // 如果 a < b 则为 true
    • (a <=> b) > 0 // 如果 a > b 则为 true
    • (a <=> b) == 0 // 如果 a 与 b 相等或者等价 则为 true
• 类似于C的strcmp 函数返回-1, 0, 1
• 一般情况: 自动生成所有的比较操作符, 如果对象是结构体则逐个比较, 可以用下面代码代替所有的比较运算符
• • auto X::operator<=>(const Y&) = default;
• 高级情况: 指定返回类型(支持6种所有的比较运算符)

示例:

class Point { 
    int x; int y; 
public: 
    friend bool operator==(const Point& a, const Point& b){ 
        return a.x==b.x && a.y==b.y; 
    } 
    friend bool operator< (const Point& a, const Point& b){ 
        return a.x < b.x || (a.x == b.x && a.y < b.y);  
    } 
    friend bool operator!=(const Point& a, const Point& b) { 
        return !(a==b); 
    } 
    friend bool operator<=(const Point& a, const Point& b) { 
        return !(b<a); 
 } 
 friend bool operator> (const Point& a, const Point& b) { 
        return b<a; 
    } 
    friend bool operator>=(const Point& a, const Point& b) { 
        return !(a<b); 
    } 
    // ... 其他非比较函数 ... 
}; 
#include <compare> 
class Point { 
    int x; int y; 
public: 
    auto operator<=>(const Point&)  const = default; // 比较操作符自动生成
    // ... 其他非比较函数 ... 
};

• 标准库类型支持 <=>
• • vector, string, map, set, sub_match, …
• 例如:

范围 for 循环语句支持初始化语句

• switch 语句初始化 (C++17):

struct Foo { 
    int value; int result; 
}; 
Foo GetData() { 
    return Foo(); 
} 

int main() { 
    switch (auto data = GetData(); data.value) { 
    case 1: 
        return data.result; 
    } 
}

• if 语句初始化 (C++17):

struct Foo { 
    int value; int result; 
}; 
Foo\* GetData() {
  return new Foo(); 
} 

int main() { 
    if (auto data = GetData(); data) { 
        // Use 'data’ 
    } 
}

• 现在范围 for 循环同样支持初始化 (C++20):

struct Foo { 
    std::vector<int> values; 
}; 
Foo GetData() { 
    return Foo(); 
} 
int main() { 
    for (auto data = GetData(); 
    auto& value : data.values) { 
        // Use 'data’ 
    } 
}
 

非类型模板形参支持字符串

template<auto& s> void DoSomething() { 
    std::cout << s << std::endl; 
} 
int main() { 
    DoSomething<"CppCon">(); 
}

[[likely]], [[unlikely]]

先验概率指导编译器优化

switch (value) { 
    case 1: break; 
    [[likely]] case 2: break; 
    [[unlikely]] case 3: break; 
}

日历(Calendar)和时区(Timezone)功能

• 增加日历和时区的支持
• 只支持公历(Gregorian calendar)
• • 其他日历也可通过扩展加入, 并能和 进行交互
• 初始化 年, 月 日的方法

// creating a year 
auto y1 = year{ 2019 }; 
auto y2 = 2019y; 
// creating a mouth
auto m1 = month{ 9 }; 
auto m2 = September; 
// creating a day 
auto d1 = day{ 18 }; 
auto d2 = 18d;

• 创建完整的日期

year_mouth_day fulldate1{2019y, September, 18d}; 
auto fulldate2 = 2019y / September / 18d; 
year_mouth_day fulldate3{Monday[3]/September/2019}; // Monday[3] 表示第三个星期一

• 新的事件间隔单位, 类似于秒, 分钟, …

using days = duration<signed interger type of at least 25bits, 
                      ratio_multiply<ratio<24>, hours::period>>; 
using weeks = ...; using mouths = ...; 
using years = ...;

• 例子

既有适合小白学习的零基础资料，也有适合3年以上经验的小伙伴深入学习提升的进阶课程，涵盖了95%以上Go语言开发知识点，真正体系化！

由于文件比较多，这里只是将部分目录截图出来，全套包含大厂面经、学习笔记、源码讲义、实战项目、大纲路线、讲解视频，并且后续会持续更新

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