c++11新特性

1.c++11新特性

C++11的简要介绍
（1）出于保证稳定性与兼容性增加了不少新特性，如long long整数类型、静态断言、外部模板等等 ；
（2）具有广泛应用性、能与其他已有的或者新增的特性结合起来使用的、具有普适性的一些新特性，如继承构造函数，委派构造函数，列表初始化等等；
（3）对原有一些语言特性的改进，如auto类型推导、追踪返回类型、基于范围的for循环，等等；
（4）在安全方面所做的改进，如枚举类型安全和指针安全等方面的内容；
（5）为了进一步提升和挖掘C++程序性能和让C++能更好地适应各种新硬件，如多核，多线程，并行编程等等；
（6）颠覆C++一贯设计思想的新特性，如lambda表达式等；
（7）C++11为了解决C++编程中各种典型实际问题而做出的有效改进，如对Unicode的深入支持等。

1.auto类型推导

在早期版本中，关键字auto主要是用于声明具有自动存储期的局部变量。然而，它并没有被经常使用。原因是：除了static类型以外，其他变量(以“数据类型＋变量名”的方式定义)都默认为具有自动存储期，所以auto关键字可有可无。

所以，在C++11的版本中，删除了auto原本的功能，并进行了重新定义了。即C++11中的auto具有类型推导的功能。在讲解auto之前，我们先来了解什么是静态类型，什么是动态类型。

(1)静态类型，动态类型，类型推导

通俗的来讲，所谓的静态类型就是在使用变量前需要先定义变量的数据类型，而动态类型无需定义。

严格的来讲，静态类型是在编译时进行类型检查，而动态类型是在运行时进行类型检查。

如python：a = "helloworld"; // 动态类型
而C++：std::string a = "helloworld"; // 静态类型

如今c++11中重新定义了auto的功能，这便使得静态类型也能够实现类似于动态类型的类型推导功能，十分有趣～

下面是auto的基本用法：

double func();
auto a  = 1; // int, 尽管1时const int类型，但是auto会自动去const
auto b = func(); // double
auto c; // wrong, auto需要初始化的值进行类型推导，有点类似于引用

注意： 其实auto就相当于一个类型声明时的占位符，而不是一种“类型”的声明，在编译时期编译器会将auto替代成变量的实际类型。

(2) auto的优势

I. 拥有初始化表达式的复杂类型变量声明时的简化代码。

也就是说，auto能够节省代码量，使代码更加简洁， 增强可读性。

std::vector<std::string> array;
std::vector<std::string>::iterator it = array.begin();
// auto
auto it = array.begin();

auto在STL中应用非常广泛，如果在代码中需要多次使用迭代器，用auto便大大减少了代码量，使得代码更加简洁，增强了可读性。

II.免除程序员在一些类型声明时的麻烦，或者避免一些在类型声明时的错误。

class PI {
public:
    double operator *(float v) {
        return (double)val*v;
    }
    const float val = 3.1415927f;
};
int main(void) {
    float radius = 5.23f;
    PI pi;
    auto circumference = 2*( pi*radius);
    return 0;
}

设计PI类的作者将PI的*运算符进行了重载，使两个float类型的数相乘返回double类型。这样做的原因便是避免数据上溢以及精度降低。假如用户将circumference定义为float类，就白白浪费了PI类作者的一番好意，用auto便不会出现这样的问题。

但是auto并不能解决所有的精度问题，如：

unsigned int a = 4294967295; // unsigned int 能够存储的最大数据
unsigned int b = 1;
auto c = a+b;
cout << c << endl; // 输出c为0

a+b显然超出了unsigned int 能够存储的数据范围，但是auto不能自动将其匹配为能存储这一数据而不造成溢出的类型如unsigned long类型。所以在精度问题上自己还是要多留一点心，分析数据是否会溢出。

III.“自适应”性能在一定程度上支持泛型编程。

如上面提到PI类，假如原作者要修改重载*返回的数据类型，即将double换成其他类型如long double，则它可以直接修改而无需修改main函数中的值。再如这种“适应性”还能体现在模板的定义中：

template <typename T1, typename T2>
double func(const T1& a, const T2& b) {
    auto c = a + b;
    return c;
}

其实直接return a+b；也是可以的，这里只是举个例子，同时点出auto不能用于声明函数形参这一易错点

但是有一点要注意：不能将auto用于声明函数形参，所以不能用auto替代T1，T2。

然而，因为func()只能返回double值，所以func()还可以进一步泛化，那就需要decltype的使用了，在后面会详细讲解。

现此处有一段有趣的宏定义：用Max2的宏定义效率更高。

# define Max1(a, b) ((a) > (b)) ? (a) : (b)
# define Max2(a, b) ({ \
            auto _a = (a);
            auto _b = (b);
            (_a > _b) ? _a : _b;})

(3) auto 使用细则

int x;
int* y = &x;
double foo();
int& bar();
auto* a = &x; // a:int*
auto& b = x; // b:int&
auto c = y; // c:int*
auto* d = y; // d:int*
auto* e = &foo(); // wrong, 指针不能指向临时变量
auto &f = foo(); // wrong, 左值引用不能存储右值
auto g = bar(); // int
auto &h = bar(); // int&

其实，对于指针而言， auto* a ＝ &x <=> auto a = &x
但是对于引用而言，上面的情况就不遵循了，如果是引用， 要在auto后加&。

int x;
int* y = &x;
double foo();
int& bar();
auto* a = &x; // a:int*
auto& b = x; // b:int&
auto c = y; // c:int*
auto* d = y; // d:int*
auto* e = &foo(); // wrong, 指针不能指向临时变量
auto &f = foo(); // wrong, 左值引用不能存储右值
auto g = bar(); // int
auto &h = bar(); // int&

auto 会自动删除const(常量性)，volatile(易失性)。

对于引用和指针，即auto*, auto&仍会保持const与volatile。

auto x = 1, y = 2; // (1) correct
const auto* m = &x, n = 1; // (2)correct
auto i = 1, j = 3.14f; // (3) wrong
auto o = 1, &p = 0, *q = &p; // (4)correct

auto有规定，当定义多个变量时，所有变量的类型都要一致，且为第一个变量的类型，否则编译出错。

对于(1):   x, y 都是int类型，符合auto定义多变量的机制， 编译通过；
对于(2)：我们发现，m、n的类型不同，那为什么不报错？变量类型一致是指auto一致。m为const int*, 则auto匹配的是int，而n恰好为int类型，所以编译通过；
对于(3)： i 的类型是int， j 的类型是float，类型不相同，编译出错；
对于(4)： o的类型是int， p前有&，其实就是auto&， 即p为int&，而q前有，相当于auto，即q为int*，不难发现o, p, q三者auto匹配都为int，所以符合auto定义多变量的机制，编译通过。

(4)局限性

void func(auto x = 1) {} // (1)wrong
struct Node {
    auto value = 10; // (2)wrong
};
int main(void) {
    char x[3];
    auto y = x;
    auto z[3] = x; // (3)wrong
    vector<auto> v = {1}; // (4)wrong
}

I.  auto不能作为函数参数，否则无法通过编译；
II. auto不能推导非静态成员变量的类型，因为auto是在编译时期进行推导；
III.auto 不能用于声明数组，否则无法通过编译；
IV.auto不能作为模板参数(实例化时), 否则无法通过编译。
 

2. 基于范围的for循环

基于范围的for循环，结合auto的关键字，程序员只需要知道“我在迭代地访问每一个元素”即可，而再也不必关心范围，如何迭代访问等细节。

// 通过指针p来遍历数组
# include <iostream>
using namespace std;
int main(void) {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4 , 5};
    int *p;
    for (p = arr; p < arr+sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); ++p) {
            *p *= 2;
    }
    for (p = arr; p < arr+sizeof(arr)/sizeof(arr[0]); ++p) {
            cout << *p << "\t";
    }
    return 0;
}

而如今在C++模板库中，有形如for_each的模板函数，其内含指针的自增。

# include <iostream>
# include <algorithm>
using namespace std;
 
int action1(int &e) { e*=2; }
int action2(int &e) { cout << e << "\t"; }
int main(void) {
    int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    for_each(arr, arr+sizeof(arr)/sizeof(a[0]), action1);
    for_each(arr, arr+sizeof(arr)/sizeof(a[0]), action2);
    return 0;
}

以上两种循环都需要告诉循环体其界限范围，即arr到arr+sizeof(arr)/sizeof(a[0])，才能按元素执行操作。

c++11的基于范围的for循环，则无需告诉循环体其界限范围。

# include <iostream>
using namespace std;
int main(void) {
    int a[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int& e: arr) e *= 2;
    for (int& e: arr) cout << e << "\t";
    // or(1)
    for (int e: arr) cout << e << "\t";
    // or(2)
    for (auto e:arr) cout << e << "\t";
    return 0;
}

基于范围的for循环后的括号由冒号“：”分为两部分，第一部分是范围内用于迭代的变量，第二部分则表示被迭代的范围。

注意：auto不会自动推导出引用类型，如需引用要加上&
auto& ：修改
auto：不修改， 拷贝对象
基于范围的循环在标准库容器中时，如果使用auto来声明迭代的对象的话，那么该对象不会是迭代器对象，而是解引用后的对象。

continue与break的作用与原来的for循环是一致的。

使用条件：
(1) for循环迭代的范围是可确定的：对于类，需要有begin()与end()函数；对于数组，需要确定第一个元素到最后一个元素的范围；
(2) 迭代器要重载++；
(3) 迭代器要重载*, 即*iterator；
(4) 迭代器要重载== / !=。

对于标准库中的容器，如string, array, vector, deque, list, queue, map, set,等使用基于范围的for循环没有问题，因为标准库总是保持其容器定义了相关操作。

注意：如果数组大小不能确定的话，是不能使用基于范围的for 循环的。

// 无法通过编译
# include <iostream>
using namespace std;
int func(int a[]) {
    for (auto e: a) cout << e << "\t";
}
int main(void) {
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    func(arr);//传入的是数组的首地址，并非整个数组
    return 0;
}

这段代码无法通过编译，原因是func()只是单纯传入一个指针，并不能确定数组的大小，所以不能使用基于范围的for循环。

3. nullptr

在良好的C++编程习惯中，声明一个变量的同时，总是需要记得在合适的代码位置将其初始化。对于指针类型的变量，这一点尤其应当注意。未初始化的悬挂指针通常会是一些难于调试的用户程序的错误根源。

而典型的初始化指针通常有两种：0 与 NULL, 意在表明指针指向一个空的位置。

int *p = 0;
int *q = NULL;

NULL其实是宏定义，在传统C头文件(stddef.h)中的定义如下：

// stddef.h
# undef NULL
# if define(_cplusplus)
# define NULL 0
# else
# define NULL ((void*)0)
# endif

从上面的定义中我们可以看到，NULL既可被替换成整型0，也可以被替换成指针(void*)0。这样就可能会引发一些问题，如二义性：

# include <iostream>
using namespace std;
void f(int* ptr) {}
void f(int num) {}
int main(void) {
    f(0);
    f((int*)0);
    f(NULL);   // 编译不通过
    return 0;
}

NULL既可以被替换成整型，也可以被替换成指针，因此在函数调用时就会出现问题。因此，在早期版本的C++中，为了解决这种问题，只能进行显示类型转换。

所以在C++11中，为了完善这一问题，引入了nullptr的指针空值类型的常量。为什么不重用NULL？原因是重用NULL会使已有很多C++程序不能通过C++11编译器的编译。为保证最大的兼容性且避免冲突，引入新的关键字是最好的选择。

而且，出于兼容性的考虑，C++11中并没有消除NULL的二义性。

那么，nullptr有没有数据类型呢？头文件对其类型的定义如下：

// <cstddef>
typedef decltype(nullptr) nullptr_t;

即nullptr_t为nullptr的类型， 称为指针空值类型。指针空值类型的使用有以下几个规则：
1.所有定义为nullptr_t类型的数据都是等价的，行为也是完全一致的。
也就是说，nullptr_t的对象都是等价，都是表示指针的空值，即满足“==”。
2.nullptr_t类型的数据可以隐式转换成任意一个指针类型。
3.nullptr_t类型数据不能转换成非指针类型，即使用reinterpret_cast()的方式也不可以实现转化；
4.nullptr_t类型的对象不适用于算术运算的表达式；
5.nullptr_t类型数据可以用于关系运算表达式，但仅能与nullptr_t类型数据或者是指针类型数据进行比较，当且仅当关系运算符为-=, <=, >=, 等时返回true。

# include <iostream>
# include <typeinfo>
using namespace std;
int main(void) {
    // nullptr 隐式转换成char*
    char* cp = nullptr;
 
    // 不可转换成整型，而任何类型也不可能转化成nullptr_t
    int n1 = nullptr;  // 编译不通过
    int n2 = reinterpret_cast<int>(nullptr);  // 编译不通过
 
    // nullptr 与 nullptr_t 类型变量可以作比较
    nullptr_t nptr;
    if (nptr == nullptr)
        cout << "nullptr_t nptr == nullptr" << endl;
    else 
        cout << "nullptr_t nptr != nullptr" << endl;
    if (nptr < nullptr)
        cout << "nullptr_t nptr < nullptr" << endl;
    else
            cout << "nullpte_t nptr !< nullptr" << endl;
 
    // 不能转化成整型或bool类型，以下代码不能通过编译
    if (0 == nullptr);
    if (nullptr);
    // 不可以进行算术运算，以下代码不能通过编译
    // nullptr += 1
    // nullptr * 5
 
    // 以下操作均可以正常进行
    // sizeof(nullptr) == sizeof(void*)
    sizeof(nullptr);
    typeid(nullptr);
    throw(nullptr);
    return 0;
}

输出：
nullptr_t nptr == nullptr
nullptr_t nptr !< nullptr
terminate called after throwing an instance of "decltype(nullptr)" Aborted

nullptr_t 看起来像个指针类型，用起来更像。但是在把nullptr_t应用于模板的时候，我们会发现模板只能把它作为一个普通的类型进行推导，并不会将其视为T*指针。

# include <iostream>
using namespace std;
template<typename T>
void g(T* t) {}
template<typename T>
void h(T t) {}
int main(void) {
    // nullptr 并不会被编译器“智能”地推导成某种基本类型的指针或者void*指针。
    // 为了让编译器推导出来，应当进行显示类型转换
    g(nullptr); // 编译失败，nullptr的类型是nullptr_t，而不是指针
    g((float*)nullptr); // T* 为 float*类型
    h(0);  // T 为 整型
    h(nullptr);  // T 为 nullptr_t类型
    h((float*)nullptr); // T 为 float*类型
    return 0;
}

null与(void*)0的：
1.nullptr是编译时期的常量，它的名字是一个编译时期的关键字，能够为编译器所识别，而(void*)0只是一个强制类型转化的表达式，其返回值也是一个void*的指针类型。
2.nullptr 能够隐式转化成指针，而(void*)0只能进行显示转化才能变成指针类型(c++11)。虽然在c++标准中(void*)类型的指针可以实现隐式转化。

int *p1 = (void*)0;  // 编译不通过
int *p2 = nullptr;

补充： 除了nullptr， nullptr_t的对象的地址都可以被用户使用 nullptr是右值，取其地址没有意义，编译器也是不允许的。如果一定要取其地址，也不是没有办法。可以定义一个nullptr的右值引用，然后对该引用进行取地址。