[译]C++17, 语言核心层有哪些新的变化？

本是古典何须时尚 2022-05-16 01:47 213阅读 0赞

> 看到一个介绍 C++17 的系列博文([原文][Link 1]),有十来篇的样子,觉得挺好,看看有时间能不能都简单翻译一下,这是第一篇~

C++11, C++14, 以及 C++17. 我猜你已经看出了其中的命名模式: 今年(2017)的晚些时候,我们便会迎来新的C++标准(C++17). 今年的3月份, C++17已经达到了标准草案阶段. 在我深入新标准的细节之前, 让我们先来总体浏览一下C++17.(译注:作者的文章写于2017年初,当时C++17标准仍未正式发布)

让我们首先来看下C++标准整体的(特性)时间线.

#### The big picture ####

![这里写图片描述][70]

从 C++98 到 C++14,图中只列出了较大的特性要点.图中也缺少了关于 C++03 的特性描述, 因为C++03标准非常小,内容上更多是为了修复 C++98 的一些缺陷.如果你熟悉C++,那么你一定知道 C++98(第一个C++标准) 和 C++11 是两个非常大的C++标准, 但C++14,特别是C++03则是两个小标准.

那么 C++17 是大标准还是小标准呢?从我的观点来看,答案其实挺简单的: C++17 介于 C++14 和 C++11 之间,既不属于大标准也不属于小标准,至于原因,看看下面的说明吧.

## 概览 ##

C++17 在**语言核心层**和**标准库方面**都有很多新改动.我们首先来看下语言核心层.

#### 语言核心层 ####

##### fold expressions(折叠表达式) #####

C++11 开始支持可变参数模板(即支持任意多数量参数的模板).其中任意数量的模板参数保存在参数包(parameter pack)中.在C++17中,你可以使用二元运算符直接化简(reduce)参数包:  
(译注:译文对作者的原始示例代码做了些许调整,原始代码请参看[原文][Link 1])

#include <iostream>
    
    template<typename... Args>
    bool all(Args... args)
    {
    	return (... && args);
    }
    
    int main()
    {
    	std::cout << std::boolalpha;
    
    	std::cout << "all(): " << all() << std::endl;
    	std::cout << "all(true): " << all(true) << std::endl;
    	std::cout << "all(true, true, true, false): " << all(true, true, true, false) << std::endl;
    
    	std::cout << std::endl;
    
    	return 0;
    }

上述代码中(第6行)使用的二元运算符是逻辑与(&&).程序的输出如下:

![输出图][70 1]

对于折叠表达式我想说的就是这些,如果你想了解更多的细节,可以看看我之前的一篇关于折叠表达式的[文章][Link 2].

我们继续来看看编译期的改动

##### constexpr if #####

constexpr if 可以实现源代码的条件编译.

template <typename T>
    auto get_value(T t) 
    {
    	if constexpr (std::is_pointer_v<T>)
    		return *t; // deduces return type to int for T = int*
    	else
    		return t;  // deduces return type to int for T = int
    }

如果 T 是指针类型,那么上述代码中的第5行分支就会被编译,反之则编译第7行的代码分支.这里有两个要点: 函数 get\_value 有两种不同的返回类型并且 if 语句的两个分支都必须有效.

在C++17中, for 语句的语法同样适用于 if 和 switch 语句了.

#### initializers in if and switch statements ####

现在你可以直接在 if 和 switch 语句中初始化变量了.

std::map<int, std::string> myMap;
    
    if (auto result = myMap.insert(value); result.second) 
    {
    	useResult(result.first);
    	// ...
    }
    else 
    {
    	// ...
    } // result is automatically destroyed

初始化的变量仅在对应的 if 和 else 语句的作用域内有效,不会影响到外层作用域.

如果我们再结合使用一下C++17中新引入的结构化绑定声明(structured binding declaration),那么语法会更加优雅.

#### structured binding declaration(结构化绑定声明) ####

借助结构化绑定,我们可以直接将 std::tuple 或者某个结构的元素绑定到变量上去,让我们用结构化绑定声明来改写一下之前的示例代码:

std::map<int, std::string> myMap;
    
    if (auto[iter, succeeded] = myMap.insert(value); succeeded) 
    {
    	useIter(iter);
    	// ...
    }
    else 
    {
    	// ...
    } iter and succeded are automatically be destroyed

第3行的 **auto \[iter, succeeded\]** 自动创建了两个变量(iter 和 succeeded),他们会在第 11 行代码执行中(离开if的作用域)被销毁.

结构化绑定声明可以简化代码,构造函数的模板参数推导同样也可以.

#### Template deduction of constructors(构造函数的模板参数推导) ####

一个函数模板可以通过传递的函数参数进行参数的类型推导,但这条规则对于一个特殊的函数模板却不适用:**类模板的构造函数**.在 C++17 中,类模板的构造函数也能进行参数的类型推导了:

#include <iostream>
    
    template <typename T>
    void showMe(const T& t) 
    {
    	std::cout << t << std::endl;
    }
    
    template <typename T>
    struct ShowMe 
    {
    	ShowMe(const T& t) 
    	{
    		std::cout << t << std::endl;
    	}
    };
    
    int main()
    {
    	std::cout << std::endl;
    
    	showMe(5.5);  // no need showMe<double>(5.5);
    	showMe(5);    // no need showMe<int>(5);
    
    	ShowMe(5.5);  // with C++17: no need ShowMe<double>(5.5);
    	ShowMe(5);    // with C++17: no need ShowMe<int>(5);
    
    	std::cout << std::endl;
    
    	return 0;
    }

22行和23行代码从C++第一个标准开始(C++98)便是合法的,但是25行及26行代码则只能在C++17中编译通过,因为在C++17之前,你必须使用尖括号(<>)来指定需要实例化的类模板的类型参数.

除了功能特性,C++17中还有一些旨在提升代码运行效率的特性.

#### guaranteed copy elision ####

[RVO][]是返回值优化(Return Value Optimisation)的简称,他的作用是允许编译器移除一些不必要的复制操作,但RVO一直都只是一种可能优化步骤(并没有标准规范,编译器可以选择进行RVO或者不进行RVO),C++17中通过定义 guaranteed copy elision 保证了这种优化的执行.

MyType func()
    {
        return MyType{};         // no copy with C++17
    }
    
    MyType myType = func();    // no copy with C++17

在这几行代码的执行中可能会发生2次不必要的复制操作.第1次发生在第3行,第2次则发生在第6行.但在C++17中,这2次多余的复制操作都(保证)不会发生.

如果返回值有名称,我们便称他为NRVO(Named Return Value Optimization,命名返回值优化):

MyType func()
    {
        MyType myVal;
        return myVal;            // one copy allowed 
    }
    
    MyType myType = func();    // no copy with C++17

上述代码(第4行)与之前代码的一个细微差别是:在C++17中,编译器仍然可以执行一次 myVal 的复制操作(也可以不执行复制),但第7行代码仍然保证不会发生复制操作.

如果你不再需要某个特性,甚至于某个特性可能会造成"危险",那么你就应该移除他.C++17中就移除了auto\_ptr 和 trigraphs 这两个语言特性.

#### 移除 auto\_ptr 和 trigraphs ####

##### auto\_ptr #####

std::auto\_ptr 是C++标准中第一个智能指针,他的设计目的是为了正确的管理资源.但是他存在一个很大的缺陷: **std::auto\_ptr 可以进行复制(和赋值)操作,但内部执行的却是移动(move)操作!**(译注:意为 std::auto\_ptr 复制(和赋值)操作会**改变源操作数的内部数据**,因此其不能进行逻辑独立的复制(和赋值)操作,也是因为这个原因, std::auto\_ptr 不能作为标准库容器的元素).正因为 std::auto\_ptr 的这个缺陷, C++11 中作为替代引入了不可复制(只可移动)的 std::unique\_ptr.

std::auto_ptr<int> ap1(new int(2011));
    std::auto_ptr<int> ap2= ap1;              // OK     (1)
    
    std::unique_ptr<int> up1(new int(2011));
    std::unique_ptr<int> up2= up1;            // ERROR  (2)
    std::unique_ptr<int> up3= std::move(up1); // OK     (3)

##### trigraphs(三字符组) #####

所谓三字符组(trigraphs),是指源代码中由特定的3个字符组成的转义字符序列(该转义序列用以表达某个单字符),目的是解决一些键盘不能输入某些特殊字符的问题.

C++ 中移除了三字符组(trigraphs),这意味着你不能使用C++17写出下面这种"混乱"的代码了:

int main()
    ??<
      ??(??)??<??>();
    ??>

我猜你也许能看懂上面的代码,如果不能的话,你就必须把其中的三字符组(trigraphs)转成对应的单字符了.

![这里写图片描述][70 2]

如果你对着上面的表格进行了转换,你会发现上面的代码实际上就是定义了一个就地执行(just-in-place)的 lambda 函数.

int main()
    {
      []{}();
    }

*(译注:文章中的不少说明涉及到了代码行号,但译文中的示例代码并没有行号显示,原因是自己未找到markdown中源码显示行号的简易方法,有知道的朋友可以告诉一声)*

[Link 1]: http://www.modernescpp.com/index.php/cpp17-core
[70]: /images/20220516/2f39b27d2e794532b35e71f6613076e7.png
[70 1]: /images/20220516/63063a6c384b4fc3962511cba70ea4e8.png
[Link 2]: http://www.modernescpp.com/index.php/fold-expressions
[RVO]: https://en.wikipedia.org/wiki/Return_value_optimization
[70 2]: /images/20220516/b137cc91022a4263a0be5f5e43de03d1.png