十二、 C++特性之 杂合

static_assert和 type traits

static_assert提供一个编译时的断言检查。如果断言为真，什么也不会发生。如果断言为假，编译器会打印一个特殊的错误信息。

template <typename T, size_t Size>
class Vector
{
   static_assert(Size < 3, "Size is too small");
   T _points[Size];
};

int main()
{
   Vector<int, 16> a1;
   Vector<double, 2> a2;
   return 0;
}

error C2338: Size is too small
see reference to class template instantiation 'Vector<T,Size>' being compiled
   with
   [
      T=double,
      Size=2
   ]

static_assert和type traits一起使用能发挥更大的威力。type traits是一些class，在编译时提供关于类型的信息。在头文件<type_traits>中可以找到它们。这个头文件中有好几种 class: helper class，用来产生编译时常量。type traits class，用来在编译时获取类型信息，还有就是type transformation class，他们可以将已存在的类型变换为新的类型。

下面这段代码原本期望只做用于整数类型。

template <typename T1, typename T2>
auto add(T1 t1, T2 t2) -> decltype(t1 + t2)
{
return t1 + t2;
}

但是如果有人写出如下代码，编译器并不会报错

std::cout << add(1, 3.14) << std::endl;
std::cout << add("one", 2) << std::endl;

程序会打印出4.14和”e”。但是如果我们加上编译时断言，那么以上两行将产生编译错误。

template <typename T1, typename T2>
auto add(T1 t1, T2 t2) -> decltype(t1 + t2)
{
   static_assert(std::is_integral<T1>::value, "Type T1 must be integral");
   static_assert(std::is_integral<T2>::value, "Type T2 must be integral");

   return t1 + t2;
}

error C2338: Type T2 must be integral
see reference to function template instantiation 'T2 add<int,double>(T1,T2)' being compiled
   with
   [
      T2=double,
      T1=int
   ]
error C2338: Type T1 must be integral
see reference to function template instantiation 'T1 add<const char*,int>(T1,T2)' being compiled
   with
   [
      T1=const char *,
      T2=int
   ]

Move semantics （Move语义）

这是C++11中所涵盖的另一个重要话题。就这个话题可以写出一系列文章，仅用一个段落来说明显然是不够的。因此在这里我不会过多的深入细节，如果你还不是很熟悉这个话题，我鼓励你去阅读更多地资料。

C++11加入了右值引用(rvalue reference)的概念（用&&标识），用来区分对左值和右值的引用。左值就是一个有名字的对象，而右值则是一个无名对象（临时对 象）。move语义允许修改右值（以前右值被看作是不可修改的，等同于const T&类型）。

C++的class或者struct以前都有一些隐含的成员函数：默认构造函数（仅当没有显示定义任何其他构造函数时才存在），拷贝构造函数，析构 函数还有拷贝赋值操作符。拷贝构造函数和拷贝赋值操作符提供bit-wise的拷贝（浅拷贝），也就是逐个bit拷贝对象。也就是说，如果你有一个类包含 指向其他对象的指针，拷贝时只会拷贝指针的值而不会管指向的对象。在某些情况下这种做法是没问题的，但在很多情况下，实际上你需要的是深拷贝，也就是说你 希望拷贝指针所指向的对象。而不是拷贝指针的值。这种情况下，你需要显示地提供拷贝构造函数与拷贝赋值操作符来进行深拷贝。

如果你用来初始化或拷贝的源对象是个右值（临时对象）会怎么样呢？你仍然需要拷贝它的值，但随后很快右值就会被释放。这意味着产生了额外的操作开销，包括原本并不需要的空间分配以及内存拷贝。

现在说说move constructor和move assignment operator。这两个函数接收T&&类型的参数，也就是一个右值。在这种情况下，它们可以修改右值对象，例如“偷走”它们内部指针所 指向的对象。举个例子，一个容器的实现（例如vector或者queue）可能包含一个指向元素数组的指针。当用一个临时对象初始化一个对象时，我们不需 要分配另一个数组，从临时对象中把值复制过来，然后在临时对象析构时释放它的内存。我们只需要将指向数组内存的指针值复制过来，由此节约了一次内存分配， 一次元数组的复制以及后来的内存释放。

以下代码实现了一个简易的buffer。这个buffer有一个成员记录buffer名称（为了便于以下的说明），一个指针（封装在unique_ptr中）指向元素为T类型的数组，还有一个记录数组长度的变量。

template <typename T>
class Buffer
{
   std::string          _name;
   size_t               _size;
   std::unique_ptr<T[]> _buffer;

public:
   // default constructor
   Buffer():
      _size(16),
      _buffer(new T[16])
   {}

   // constructor
   Buffer(const std::string& name, size_t size):
      _name(name),
      _size(size),
      _buffer(new T[size])
   {}

   // copy constructor
   Buffer(const Buffer& copy):
      _name(copy._name),
      _size(copy._size),
      _buffer(new T[copy._size])
   {
      T* source = copy._buffer.get();
      T* dest = _buffer.get();
      std::copy(source, source + copy._size, dest);
   }

   // copy assignment operator
   Buffer& operator=(const Buffer& copy)
   {
      if(this != ©)
      {
         _name = copy._name;

         if(_size != copy._size)
         {
            _buffer = nullptr;
            _size = copy._size;
            _buffer = _size > 0 > new T[_size] : nullptr;
         }

         T* source = copy._buffer.get();
         T* dest = _buffer.get();
         std::copy(source, source + copy._size, dest);
      }

      return *this;
   }

   // move constructor
   Buffer(Buffer&& temp):
      _name(std::move(temp._name)),
      _size(temp._size),
      _buffer(std::move(temp._buffer))
   {
      temp._buffer = nullptr;
      temp._size = 0;
   }

   // move assignment operator
   Buffer& operator=(Buffer&& temp)
   {
      assert(this != &temp); // assert if this is not a temporary

      _buffer = nullptr;
      _size = temp._size;
      _buffer = std::move(temp._buffer);

      _name = std::move(temp._name);

      temp._buffer = nullptr;
      temp._size = 0;

      return *this;
   }
};

template <typename T>
Buffer<T> getBuffer(const std::string& name)
{
   Buffer<T> b(name, 128);
   return b;
}
int main()
{
   Buffer<int> b1;
   Buffer<int> b2("buf2", 64);
   Buffer<int> b3 = b2;
   Buffer<int> b4 = getBuffer<int>("buf4");
   b1 = getBuffer<int>("buf5");
   return 0;
}

默认的copy constructor以及copy assignment operator大家应该很熟悉了。C++11中新增的是move constructor以及move assignment operator，这两个函数根据上文所描述的move语义实现。如果你运行这段代码，你就会发现b4构造时，move constructor会被调用。同样，对b1赋值时，move assignment operator会被调用。原因就在于getBuffer()的返回值是一个临时对象——也就是右值。

你也许注意到了，move constuctor中当我们初始化变量name和指向buffer的指针时，我们使用了std::move。name实际上是一个 string，std::string实现了move语义。std::unique_ptr也一样。但是如果我们写_name(temp._name)， 那么copy constructor将会被调用。不过对于_buffer来说不能这么写，因为std::unique_ptr没有copy constructor。但为什么std::string的move constructor此时没有被调到呢？这是因为虽然我们使用一个右值调用了Buffer的move constructor，但在这个构造函数内，它实际上是个左值。为什么？因为它是有名字的——“temp”。一个有名字的对象就是左值。为了再把它变为 右值（以便调用move constructor)必须使用std::move。这个函数仅仅是把一个左值引用变为一个右值引用。

更新：虽然这个例子是为了说明如何实现move constructor以及move assignment operator，但具体的实现方式并不是唯一的。在本文的回复中Member 7805758同学提供了另一种可能的实现。为了方便查看，我把它也列在下面：

template <typename T>
class Buffer
{
   std::string          _name;
   size_t               _size;
   std::unique_ptr<T[]> _buffer;

public:
   // constructor
   Buffer(const std::string& name = "", size_t size = 16):
      _name(name),
      _size(size),
      _buffer(size? new T[size] : nullptr)
   {}

   // copy constructor
   Buffer(const Buffer& copy):
      _name(copy._name),
      _size(copy._size),
      _buffer(copy._size? new T[copy._size] : nullptr)
   {
      T* source = copy._buffer.get();
      T* dest = _buffer.get();
      std::copy(source, source + copy._size, dest);
   }

   // copy assignment operator
   Buffer& operator=(Buffer copy)
   {
       swap(*this, copy);
       return *this;
   }

   // move constructor
   Buffer(Buffer&& temp):Buffer()
   {
      swap(*this, temp);
   }

   friend void swap(Buffer& first, Buffer& second) noexcept
   {
       using std::swap;
       swap(first._name  , second._name);
       swap(first._size  , second._size);
       swap(first._buffer, second._buffer);
   }
};

结论

关于C++11还有很多要说的。本文只是各种入门介绍中的一个。本文展示了一系列C++开发者应当使用的核心语言特性与标准库函数。然而我建议你能更加深入地学习，至少也要再看看本文所介绍的特性中的部分。

Deleted和Defaulted函数

一个表单中的函数：

struct A
{
 A()=default; //C++11
 virtual ~A()=default; //C++11
};

被称为一个defaulted函数，“=default;”告诉编译器为函数生成默认的实现。Defaulted函数有两个好处：比手工实现更高效，让程序员摆脱了手工定义这些函数的苦差事。

与defaulted函数相反的是deleted函数：

int func()=delete;

Deleted函数对防止对象复制很有用，回想一下C++自动为类声明一个副本构造函数和一个赋值操作符，要禁用复制，声明这两个特殊的成员函数=delete即可：

struct NoCopy
{
    NoCopy & operator =( const NoCopy & ) = delete;
    NoCopy ( const NoCopy & ) = delete;
};
NoCopy a;
NoCopy b(a); //compilation error, copy ctor is deleted

委托构造函数

在C++11中，构造函数可以调用相同类中的其它构造函数：

class M //C++11 delegating constructors
{
 int x, y;
 char *p;
public:
 M(int v) : x(v), y(0),  p(new char [MAX])  {} //#1 target
 M(): M(0) {cout<<"delegating ctor"<

构造函数#2，委托构造函数，调用目标构造函数#1。

线程库

站在程序员的角度来看，C++11最重要的新功能毫无疑问是并行操作，C++11拥有一个代表执行线程的线程类，在并行环境中用于同步，async()函数模板启动并行任务，为线程独特的数据声明thread_local存储类型。如果你想找C++11线程库的快速教程，请阅读Anthony William的“C++0x中更简单的多线程”。

新的算法

C++11标准库定义了新的算法模仿all_of()，any_of()和none_of()操作，下面列出适用于ispositive()到(first, first+n)范围，且使用all_of(), any_of() and none_of() 检查范围的属性的谓词：

#include <algorithm>
//C++11 code
//are all of the elements positive?
all_of(first, first+n, ispositive()); //false
//is there at least one positive element?
any_of(first, first+n, ispositive());//true
// are none of the elements positive?
none_of(first, first+n, ispositive()); //false

一种新型copy_n算法也可用了，使用copy_n()函数，复制一个包含5个元素的数组到另一个数组的代码如下：

#include
int source[5]={0,12,34,50,80};
int target[5];
//copy 5 elements from source to target
copy_n(source,5,target);

算法iota()创建了一个值顺序递增的范围，好像分配一个初始值给*first，然后使用前缀++使值递增，在下面的代码中，iota()分配连续值{10,11,12,13,14}给数组arr，并将{‘a’,’b’,’c’}分配给char数组c。

include <numeric>
int a[5]={0};
char c[3]={0};
iota(a, a+5, 10); //changes a to {10,11,12,13,14}
iota(c, c+3, 'a'); //{'a','b','c'}

C++11仍然缺乏一些有用的库，如XML API，套接字，GUI，反射以及前面提到的一个合适的自动垃圾回收器，但C++11的确也带来了许多新特性，让C++变得更加安全，高效，易学易用。

如果C++11的变化对你来说太大的话，也不要惊慌，多花些时间逐渐消化这一切，当你完全吸收了C++11的变化后，你可能就会同意Stroustrup的说法：C++11感觉就像一个新语言，一个更好的新语言。

变长参数的模板

我们在C++中都用过pair，pair可以使用make_pair构造，构造一个包含两种不同类型的数据的容器。比如，如下代码：

auto p = make_pair(1, "C++ 11");

由于在C++11中引入了变长参数模板，所以发明了新的数据类型：tuple，tuple是一个N元组，可以传入1个， 2个甚至多个不同类型的数据

auto t1 = make_tuple(1, 2.0, "C++ 11");
auto t2 = make_tuple(1, 2.0, "C++ 11", {1, 0, 2});

这样就避免了从前的pair中嵌套pair的丑陋做法，使得代码更加整洁

另一个经常见到的例子是Print函数，在C语言中printf可以传入多个参数，在C++11中，我们可以用变长参数模板实现更简洁的Print

template<typename head, typename... tail>
void Print(Head head, typename... tail) {
    cout<< head <<endl;
    Print(tail...);
}