C++11的一些常见特性

因为面试被问到了，C++的新特性，但从未归纳过，故将整理c++11，c++17，c++20的常见特性，并用例子实现一遍。加油！！！

1.nullptr

C++用nullptr代替NULL，原因NULL在C++中会被定义为0或(void*)0，取决于编译器。

C++ 不允许直接将 void * 隐式转换到其他类型，但如果 NULL 被定义为 ((void*)0)，那么当编译char *ch = NULL;时，NULL 只好被定义为 0。

从而会引发重载的一些问题，例如

void foo(char *a);
void foo(int a);

为了避免这块从而引入nullptr，nullptr 的类型为 nullptr_t，能够隐式的转换为任何指针或成员指针的类型，也能和他们进行相等或者不等的比较。

const class nullptr_t
{
public:
    template<class T>
    inline operator T*() const
        { return 0; }

    template<class C, class T>
    inline operator T C::*() const
        { return 0; }
 
private:
    void operator&() const;
} nullptr = {};

2.类型推导

C++11 引入了 auto 和 decltype 这两个关键字实现了类型推导，让编译器来操心变量的类型。

auto

auto 在很早以前就已经进入了 C++，但是他始终作为一个存储类型的指示符存在，与 register 并存。在传统 C++ 中，如果一个变量没有声明为 register 变量，将自动被视为一个 auto 变量。而随着 register 被弃用，对 auto 的语义变更也就非常自然了。（register以前就是将变量放到寄存器中，不能直接用地址取，对register使用取地址操作会让register失效，反之默认是auto，现已废弃）

注意：auto只能推导出数据的不加引用(&)的数据类型

但是实测可以推导出const char *和char *，推导不出const char和char，说明顶层const的const会被忽略

此外，auto 还不能用于推导数组类型

auto 的推导规则

1. 在不声明为引用或指针时，auto会忽略等号右边的引用类型和const、volatile限定
2. 在声明为引用或者指针时，auto会保留等号右边的引用和const、volatile属性

auto i; // error: declaration of variable 't' with deduced type 'auto' requires an initializer
//因此我们在使用auto时，必须对该变量进行初始化。

auto i= 0; //0为int类型，auto自动推导出int类型
auto j = 2.0; //auto 自动推导出类型为float

int a = 0;
auto b = a; //a 为int类型
auto &c = a; //c为a的引用
auto *d = &a; //d为a的指针
auto i = 1, b = "hello World"; //error: 'auto' deduced as 'int' in declaration of 'i' and deduced as 'const char *' in declaration of 'b'

/* auto 作为成员变量的使用*/
class test_A
{
public:
    test_A() {}
    auto a = 0; //error: 'auto' not allowed in non-static class member
    static auto b = 0; //error: non-const static data member must be initialized out of line
    static const auto c = 0;
};

/*c11 中的使用*/
auto func = [&] {
    cout << "xxx";
}; 
// 不关心lambda表达式究竟是什么类型
auto asyncfunc = std::async(std::launch::async, func);

decltype

 decltype用于推导表达式类型，这里只用于编译器分析表达式的类型，表达式实际不会进行运算

注意：decltype不会像auto一样忽略引用和const、volatile属性，decltype会保留表达式的引用和const、volatile属性

decltype 的推导规则

对于decltype(exp)有：

1. exp是表达式，decltype(exp)和exp类型相同
2. exp是函数调用，decltype(exp)和函数返回值类型相同
3. 其它情况，若exp是左值，decltype(exp)是exp类型的左值引用

int a = 0, b = 0;
decltype(a + b) c = 0; // c是int，因为(a+b)返回一个右值
decltype(a += b) d = c;// d是int&，因为(a+=b)返回一个左值

d = 20;
cout << "c " << c << endl; // 输出c 20

auto 与 decltype 配合

decltype(auto)是C++14新增的类型指示符，可以用来声明变量以及指示函数返回类型。在使用时，会将

“=”号左边的表达式替换掉auto，再根据decltype的语法规则来确定类型。举个例子：

int e = 4;
const int* f = &e; // f是底层const
decltype(auto) j = f;//j的类型是const int* 并且指向的是e

基于范围的 for 循环

C++11 引入了基于范围的迭代写法，我们拥有了能够写出像 Python 一样简洁的循环语句。

// & 启用了引用
for(auto &i : arr) {    
    std::cout << i << std::endl;
}

初始化列表

C++11 提供了统一的语法来初始化任意的对象，例如：

struct A {
    int a;
    float b;
};
struct B {

    B(int _a, float _b): a(_a), b(_b) {}
private:
    int a;
    float b;
};

A a {1, 1.1};    // 统一的初始化语法
B b {2, 2.2};

对于在函数体中初始化,是在所有的数据成员被分配内存空间后才进行的。

列表初始化是给数据成员分配内存空间时就进行初始化,就是说分配一个数据成员只要冒号后有此数据成

员的赋值表达式(此表达式必须是括号赋值表达式),那么分配了内存空间后在进入函数体之前给数据成员

赋值，就是说初始化这个数据成员此时函数体还未执行。

默认模板参数

//这里用到了auto和decltype的结合推导
template<typename T = int, typename U = int>
auto add(T x, U y) -> decltype(x+y) {
    return x+y;
}

Lambda 表达式

Lambda 表达式，实际上就是提供了一个类似匿名函数的特性，而匿名函数则是在需要一个函数，但是又不想费力去命名一个函数的情况下去使用的。

Lambda 表达式的基本语法如下：

[ caputrue ] ( params ) opt -> ret { body; };

1) capture是捕获列表；
2) params是参数表；(选填)
3) opt是函数选项；可以填mutable,exception,attribute（选填）
mutable说明lambda表达式体内的代码可以修改被捕获的变量，并且可以访问被捕获的对象的non-const方法。
exception说明lambda表达式是否抛出异常以及何种异常。
attribute用来声明属性。
4) ret是返回值类型（拖尾返回类型）。(选填)
5) body是函数体。

捕获列表：lambda表达式的捕获列表精细控制了lambda表达式能够访问的外部变量，以及如何访问这些变量。

1) []不捕获任何变量。
2) [&]捕获外部作用域中所有变量，并作为引用在函数体中使用（按引用捕获）。
3) [=]捕获外部作用域中所有变量，并作为副本在函数体中使用(按值捕获)。注意值捕获的前提是变量可以拷贝，且被捕获的变量在 lambda 表达式被创建时拷贝，而非调用时才拷贝。如果希望lambda表达式在调用时能即时访问外部变量，我们应当使用引用方式捕获。

int a = 0;
auto f = [=] { return a; };

a+=1;

cout << f() << endl;       //输出0

int a = 0;
auto f = [&a] { return a; };

a+=1;

cout << f() <<endl;       //输出1

4) [=,&foo]按值捕获外部作用域中所有变量，并按引用捕获foo变量。
5) [bar]按值捕获bar变量，同时不捕获其他变量。
6) [this]捕获当前类中的this指针，让lambda表达式拥有和当前类成员函数同样的访问权限。如果已经使用了&或者=，就默认添加此选项。捕获this的目的是可以在lamda中使用当前类的成员函数和成员变量。

class A
{
 public:
     int i_ = 0;

     void func(int x,int y){
         auto x1 = [] { return i_; };                   //error,没有捕获外部变量
         auto x2 = [=] { return i_ + x + y; };          //OK
         auto x3 = [&] { return i_ + x + y; };        //OK
         auto x4 = [this] { return i_; };               //OK
         auto x5 = [this] { return i_ + x + y; };       //error,没有捕获x,y
         auto x6 = [this, x, y] { return i_ + x + y; };     //OK
         auto x7 = [this] { return i_++; };             //OK
};

int a=0 , b=1;
auto f1 = [] { return a; };                         //error,没有捕获外部变量    
auto f2 = [&] { return a++ };                      //OK
auto f3 = [=] { return a; };                        //OK
auto f4 = [=] {return a++; };                       //error,a是以复制方式捕获的，无法修改
auto f5 = [a] { return a+b; };                      //error,没有捕获变量b
auto f6 = [a, &b] { return a + (b++); };                //OK
auto f7 = [=, &b] { return a + (b++); };                //OK

注意f4，虽然按值捕获的变量值均复制一份存储在lambda表达式变量中，修改他们也并不会真正影响到外部，但我们却仍然无法修改它们。如果希望去修改按值捕获的外部变量，需要显示指明lambda表达式为mutable。被mutable修饰的lambda表达式就算没有参数也要写明参数列表。

原因：lambda表达式可以说是就地定义仿函数闭包的“语法糖”。它的捕获列表捕获住的任何外部变量，最终会变为闭包类型的成员变量。按照C++标准，lambda表达式的operator()默认是const的，一个const成员函数是无法修改成员变量的值的。而mutable的作用，就在于取消operator()的const。

lambda表达式的大致原理：每当你定义一个lambda表达式后，编译器会自动生成一个匿名类（这个类重载了()运算符），我们称为闭包类型（closure type）。那么在运行时，这个lambda表达式就会返回一个匿名的闭包实例，是一个右值。所以，我们上面的lambda表达式的结果就是一个个闭包。对于复制传值捕捉方式，类中会相应添加对应类型的非静态数据成员。在运行时，会用复制的值初始化这些成员变量，从而生成闭包。对于引用捕获方式，无论是否标记mutable，都可以在lambda表达式中修改捕获的值。至于闭包类中是否有对应成员，C++标准中给出的答案是：不清楚的，与具体实现有关。

lambda表达式是不能被赋值的：

auto a = [] { cout << "A" << endl; };
auto b = [] { cout << "B" << endl; };

a = b;   // 非法，lambda无法赋值
auto c = a;   // 合法，生成一个副本

lambda表达式一个更重要的应用是其可以用于函数的参数，通过这种方式可以实现回调函数。

最常用的是在STL算法中，比如你要统计一个数组中满足特定条件的元素数量，通过lambda表达式给出条件，传递给count_if函数：

int value = 3;
vector<int> v {1, 3, 5, 2, 6, 10};
int count = std::count_if(v.beigin(), v.end(), [value](int x) { return x > value; });

再比如你想生成斐波那契数列，然后保存在数组中，此时你可以使用generate函数，并辅助lambda表达式：

vector<int> v(10);
int a = 0;
int b = 1;
std::generate(v.begin(), v.end(), [&a, &b] { int value = b; b = b + a; a = value; return value; });
// 此时v {1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55}

当需要遍历容器并对每个元素进行操作时：

std::vector<int> v = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
int even_count = 0;
for_each(v.begin(), v.end(), [&even_count](int val){
    if(!(val & 1)){
        ++ even_count;
    }
});
std::cout << "The number of even is " << even_count << std::endl;

新增容器

std::array栈上的数组

std::forward_list 单向链表（不提供size()函数）

std::unordered_map/std::unordered_multimap 和 std::unordered_set/std::unordered_multiset。

无序容器中的元素是不进行排序的，内部通过 Hash 表实现，插入和搜索元素的平均复杂度为 O(constant)。

std::tuple元组，不可变的字典

右值引用和move语义

为什么要有右值引用。

1.效率性，如果一个变量不用了，我们用移动构造可以复用之前的内存，从而只需要实现指针的转移，而不是重新去申请一块内存进行赋值，可能会有阻塞（即使很小），效率慢。

2.安全性，当我们用左值可能调用类的成员函数，这会导致不可预知的行为，右值却是非常安全的，因为复制构造函数之后，我们不能再使用这个临时对象了，因为这个转移后的临时对象会在下一行之前销毁掉。

td::move仅仅是简单地将左值转换为右值，它本身并没有转移任何东西。它仅仅是让对象可以转移。

当然，如果你在使用了mova(a)之后，还继续使用a，那无疑是搬起石头砸自己的脚，还是会导致严重的运行错误。

总之，std::move(some_lvalue)将左值转换为右值（可以理解为一种类型转换），使接下来的转移成为可能。