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C++17中那些值得关注的特性_args": [ "c++17",

作者：爱喝兽奶帝天荒 | 2024-08-22 07:28:19

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args": [ "c++17",

转自：http://blog.jobbole.com/112106/

引用

C++17标准在2017上半年已经讨论确定，正在形成ISO标准文档，今年晚些时候会正式发布。本文将介绍最新标准中值得开发者关注的新特新和基本用法。

总的来说C++17相比C++11的新特性来说新特性不算多，做了一些小幅改进。C++17增加了数十项新特性，值得关注的特性大概有下面这些：

  • constexpr if
  • constexpr lambda
  • fold expression
  • void_t
  • structured binding
  • std::apply, std::invoke
  • string_view
  • parallel STL
  • inline variable

剩下的有一些来自于boost库，比如variant,any、optional和filesystem等特性，string_view其实在boost里也有。还有一些是语法糖，比如if init、deduction guide、guaranteed copy Elision、template、nested namespace、single param static_assert等特性。我接下来会介绍C++17主要的一些特性，介绍它们的基本用法和作用，让读者对C++17的新特性有一个基本的了解。

fold expression

C++11增加了一个新特性可变模版参数（variadic template）,它可以接受任意个模版参数在参数包中，参数包是三个点…，它不能直接展开，需要通过一些特殊的方法才能展开，导致在使用的时候有点难度。现在C++17解决了这个问题，让参数包的展开变得容易了，Fold expression就是方便展开参数包的。

fold expression的语义

fold expression有4种语义：

  • unary right fold (pack op …)
  • unary left fold (… op pack)
  • binary right fold (pack op … op init)
  • binary left fold (init op … op pack)

其中pack代表变参，比如args，op代表操作符，fold expression支持32种操作符：

引用


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+ - * / % ^ & | = > += -= *= /= %= ^= &= |= >= == != = && || , . * -> *

unary right fold的含义

fold (E op …) 意味着 E1 op (… op (EN-1 op EN)).

顾名思义，从右边开始fold，看它是left fold还是right fold我们可以根据参数包…所在的位置来判断，当参数包…在操作符右边的时候就是right fold，在左边的时候就是left fold。我们来看一个具体的例子：

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template < typename . . . Args >
auto add_val ( Args && . . . args ) {
     return ( args +    . . . ) ;
}
 
auto t = add_val ( 1 , 2 , 3 , 4 ) ; //10

right fold的过程是这样的：(1+(2+(3+4)))，从右边开始fold。

unary left fold的含义

fold (… op E) 意味着 ((E1 op E2) op …) op EN。

对于+这种满足交换律的操作符来说left fold和right fold是一样的，比如上面的例子你也可以写成left fold。

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template < typename . . . Args >
auto add_val ( Args && . . . args ) {
     return ( . . . + args ) ;
}
 
auto t = add_val ( 1 , 2 , 3 , 4 ) ; //10

对于不满足交换律的操作符来说就要注意了，比如减法。

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template < typename . . . Args >
auto sub_val_right ( Args && . . . args ) {
     return ( args - . . . ) ;
}
 
 
template < typename . . . Args >
auto sub_val_left ( Args && . . . args ) {
     return ( . . . - args ) ;
}
 
auto t = sub_val_right ( 2 , 3 , 4 ) ; //(2-(3-4)) = 3
auto t1 = sub_val_left ( 2 , 3 , 4 ) ; //((2-3)-4) = -5

这次right fold和left fold的结果就不一样。

binary fold的含义

Binary right fold (E op … op I) 意味着 E1 op (… op (EN-1 op (EN op I)))。

Binary left fold (I op … op E) 意味着 (((I op E1) op E2) op …) op E2。

其中E代表变参，比如args，op代表操作符，I代表一个初始变量。

二元fold的语义和一元fold的语义是相同的，看一个二元操作符的例子：

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template < typename . . . Args >
auto sub_one_left ( Args && . . . args ) {
     return ( 1 - . . . - args ) ;
}
 
template < typename . . . Args >
auto sub_one_right ( Args && . . . args ) {
     return ( args - . . . - 1 ) ;
}
 
auto t = sub_one _left（ 2， 3， 4 ) ; // (((1-2)-3)-4) = -8
auto t1 = sub_one _right（ 2， 3， 4 ) ; //(2-(3-(4-1))) = 2

相信通过这个例子大家应该对C++17的fold expression有了基本的了解。

comma fold

在C++17之前，我们经常使用逗号表达式和std::initializer_list来将变参一个个传入一个函数。比如像下面这个例子：

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template < typename T >
void print_arg ( T t )
{
     std :: cout << t << std :: endl ;
}
 
template < typename . . . Args >
void print2 ( Args . . . args )
{
     //int a[] = { (printarg(args), 0)... };
     std :: initializer_list < int > { ( print_arg ( args ) , 0 ) . . . } ;
}

这种写法比较繁琐，用fold expression就会变得很简单了。

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template < typename . . . Args >
void print3 ( Args . . . args )
{
     ( print_arg ( args ) , . . . ) ;
}

这是right fold，你也可以写成left fold，对于comma来说两种写法是一样的，参数都是从左至右传入print_arg函数。

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template < typename . . . Args >
void print3 ( Args . . . args )
{
     ( . . . , print_arg ( args ) ) ;
}

你也可以通过binary fold这样写：

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template < typename . . . Args >
void printer ( Args && . . . args ) {
     ( std :: cout << . . . << args ) << '\n' ;
}

也许你会觉得能写成这样：

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template < typename . . . Args >
void printer ( Args && . . . args ) {
     ( std :: cout << args << . . . ) << '\n' ;
}

但这样写是不合法的，根据binary fold的语法，参数包…必须在操作符中间，因此上面的这种写法不符合语法要求。

借助comma fold我们可以简化代码，假如我们希望实现tuple的for_each算法，像这样：

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for_each ( std :: make_tuple ( 2.5 , 10 , 'a' ) , [ ] ( auto e ) { std :: cout << e << '\n' ; } ) ;

这个for_each将会遍历tuple的元素并打印出来。在C++17之前我们如果要实现这个算法的话，需要借助逗号表达式和std::initializer_list来实现，类似于这样：

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template < typename . . . Args , typename Func , std :: size_t . . . Idx >
void for_each ( const std :: tuple & t , Func && f , std :: index_sequence < Idx . . . > ) {
     ( void ) std :: initializer_list < int > { ( f ( std :: get < Idx > ( t ) ) , void ( ) , 0 ) . . . } ;
}

这样写比较繁琐不直观，现在借助fold expression我们可以简化代码了。

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template < typename . . . Args , typename Func , std :: size_t . . . Idx >
void for_each ( const std :: tuple < Args . . . > & t , Func && f , std :: index_sequence < Idx . . . > ) {
     ( f ( std :: get < Idx > ( t ) ) , . . . ) ;
}

借助coma fold我们可以写很简洁的代码了。

constexpr if

constexpr标记一个表达式或一个函数的返回结果是编译期常量，它保证函数会在编译期执行。相比模版来说，实现编译期循环或递归，C++17中的constexpr if会让代码变得更简洁易懂。比如实现一个编译期整数加法：

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template < int N >
constexpr int sum ( )
{
     return N ;
}
 
template < int N , int N2 , int . . . Ns >
constexpr int sum ( )
{
     return N + sum < N2 , Ns . . . > ( ) ;
}

C++17之前你可能需要像上面这样写，但是现在你可以写更简洁的代码了。

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template < int N , int . . . Ns >
constexpr auto sum17 ( )
{
     if constexpr ( sizeof . . . ( Ns ) == 0 )
         return N ;
     else
         return N + sum17 < Ns . . . > ( ) ;
}

当然，你也可以用C++17的fold expression：

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template < typename . . . Args >
constexpr int sum ( Args . . . args ) {
     return ( 0 + . . . + args ) ;
}

constexpr还可以用来消除enable_if了，对于讨厌写一长串enable_if的人来说会非常开心。比如我需要根据类型来选择函数的时候：

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template < typename T >
std :: enable_if_t < std :: is_integral < T > :: value , std :: string > to_str ( T t )
{
     return std :: to_string ( t ) ;
}
 
template < typename T >
std :: enable_if_t < ! std :: is_integral < T > :: value , std :: string > to_str ( T t )
{
     return t ;
}

经常不得不分开几个函数来写，还需要写长长的enable_if，比较繁琐，通过if constexpr可以消除enable_if了。

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template < typename T >
auto to_str17 ( T t )
{
     if constexpr ( std :: is_integral < T > :: value )
         return std :: to_string ( t ) ;
     else
         return t ;
}

constexpr if让C++的模版具备if-else if-else功能了，是不是很酷，C++程序员的好日子来了。

不过需要注意的是下面这种写法是有问题的。

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template < typename T >
auto to_str17 ( T t )
{
     if constexpr ( std :: is_integral < T > :: value )
         return std :: to_string ( t ) ;
 
         return t ;
}

这个代码把else去掉了，当输入如果是非数字类型时代码可以编译过，以为if constexpr在模版实例化的时候会丢弃不满足条件的部分，因此函数体中的前两行代码将失效，只有最后一句有效。当输入的为数字的时候就会产生编译错误了，因为if constexpr满足条件了，这时候就会有两个return了，就会导致编译错误。

constexpr if还可以用来替换#ifdef宏，看下面的例子:

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enum class OS { Linux , Mac , Windows } ;
 
//Translate the macros to C++ at a single point in the application
#ifdef __linux__
constexpr OS the_os = OS :: Linux ;
#elif __APPLE__
constexpr OS the_os = OS :: Mac ;
#elif __WIN32
constexpr OS the_os = OS :: Windows ;
#endif
 
void do_something ( ) {
     //do something general
 
     if constexpr ( the_os == OS :: Linux ) {
         //do something Linuxy
     }
     else if constexpr ( the_os == OS :: Mac ) {
         //do something Appley
     }
     else if constexpr ( the_os == OS :: Windows ) {
         //do something Windowsy
     }
 
     //do something general
}

代码变得更清爽了，再也不需要像以前一样写#ifdef那样难看的代码块了。

constexpr lambda

constexpr lambda其实很简单，它的意思就是可以在constexpr 函数中用lambda表达式了，这在C++17之前是不允许的。这样使用constexpr函数和普通函数没多大区别了，使用起来非常舒服。下面是constexpr lambda的例子：

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template < typename I >
constexpr auto func ( I i ) {
   //use a lambda in constexpr context
   return [ i ] ( auto j ) { return i + j ; } ;
}

constexpr if和constexpr lambda是C++17提供的非常棒的特性，enjoy it.

string_view

string_view的基本用法

C++17中的string_view是一个char数据的视图或者说引用，它并不拥有该数据，是为了避免拷贝，因此使用string_view可以用来做性能优化。你应该用string_view来代替const char和const string了。string_view的方法和string类似，用法很简单：

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const char * data = "test" ;
std :: string_view str1 ( data , 4 ) ;
std :: cout << str1 . length ( ) << '\n' ; //4
if ( data == str1 )
     std :: cout << "ok" << '\n' ;
 
const std :: string str2 = "test" ;
std :: string_view str3 ( str2 , str2 . size ( ) ) ;

构造string_view的时候用char*和长度来构造，这个长度可以自由确定，它表示string_view希望引用的字符串的长度。因为它只是引用其他字符串，所以它不会分配内存，不会像string那样容易产生临时变量。我们通过一个测试程序来看看string_view如何来帮我们优化性能的。

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using namespace std :: literals ;
 
constexpr auto s = "it is a test" sv ;
auto str = "it is a test" s ;
 
constexpr int LEN = 1000000 ;
boost :: timer t ;
for ( int i = 0 ; i < LEN ; ++ i ) {
     constexpr auto s1 = s . substr ( 3 ) ;
}
std :: cout << t . elapsed ( ) << '\n' ;
t . restart ( ) ;
for ( int i = 0 ; i < LEN ; ++ i ) {
     auto s2 = str . substr ( 3 ) ;
}
std :: cout << t . elapsed ( ) << '\n' ;
 
//output
0.004197
0.231505

我们可以通过字面量””sv来初始化string_view。string_view的substr和string的substr相比，快了50多倍，根本原因是它不会分配内存。

string_view的生命周期

由于string_vew并不拥有锁引用的字符串，所以它也不会去关注被引用字符串的生命周期，用户在使用的时候需要注意，不要将一个临时变量给一个string_view，那样会导致string_view引用的内容也失效。

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std :: string_view str_v ;
{
     std :: string temp = "test" ;
     str_v = { temp } ;
}

这样的代码是有问题的，因为出了作用域之后，string_view引用的内容已经失效了。

总结

本文介绍了C++17的fold expression、constexpr if、constexpr lambda和string_view。fold expression为了简化可变模板参数的展开，让可以模板参数的使用变得更简单直观；constexpr if让模板具备if-else功能，非常强大。它也避免了写冗长的enable_if代码，让代码变得简洁易懂了；string_view则是用来做性能优化的，应该用它来代替const char*和const string。 这些特性对之前的C++14和C++11做了改进和增强，非常酷。

作者：祁宇，《深入应用C++11》作者，C++开源社区purecpp.org创始人，致力于C++11/14的应用、研究和推广。乐于研究和分享技术，爱好C++，爱好开源。

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