【C++笔记】C++11的深度剖析(一)

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【C++笔记】C++11的深度剖析(一)
- 前言
- 一.C++11的发展历史
- 二.列表初始化
- - 2.1 C++98传统的{}
  - 2.2 C++11中的{}
  - 2.3 C++11中的std::initializer_list
- 三.右值引用和移动语义
- - 3.1 左值和右值
  - 3.2 左值引用和右值引用
  - 3.3 引用延长生命周期
  - 3.4 左值和右值的参数匹配
  - 3.5 右值引用和移动语义的使用场景
  - - 3.5.1 左值引用主要使用场景回顾
    - 3.5.2 移动构造和移动赋值
- 后言

前言

哈喽，各位小伙伴大家好!上期我们讲了哈希封装。今天我们来讲一下C++的深度剖析。话不多说，我们进入正题！向大厂冲锋

一.C++11的发展历史

C++11 是 C++ 的第二个主要版本，并且是从 C++98 起的最重要更新。它引入了大量更改，标准化了既有实践，并改进了对 C++程序员可用的抽象。在它最终由 ISO 在 2011 年 8 ⽉月12 日采纳前，人们曾使用名称“C++0x”，因为它曾被期待在 2010年之前发布。C++03 与 C++11 期间花了 8 年时间，故而这是迄今为止最长的版本间隔。从那时起，C++ 有规律地每 3 年更新⼀次。

二.列表初始化

2.1 C++98传统的{}

C++98中⼀般数组和结构体可以用{}进行初始化。

struct Point
{int _x;int _y;
};
int main()
{int array1[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };int array2[5] = { 0 };Point p = { 1, 2 };return 0;
}

2.2 C++11中的{}

C++11以后想统⼀初始化方式，试图实现⼀切对象皆可用{}初始化，{}初始化也叫做列表初始化。
内置类型支持，自定义类型也支持，自定义类型本质是类型转换，中间会产生临时对象，最后优化了以后变成直接构造。
{}初始化的过程中，可以省略掉=
C++11列表初始化的本意是想实现⼀个大统一的初始化方式，其次他在有些场景下带来的不少便利，如容器push/inset多参数构造的对象时，{}初始化会很方便

#include<iostream>
#include<vector>
using namespace std;
struct Point
{int _x;int _y;
};
class Date
{
public:Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1):_year(year), _month(month), _day(day){cout << "Date(int year, int month, int day)" << endl;}Date(const Date& d):_year(d._year), _month(d._month), _day(d._day){cout << "Date(const Date& d)" << endl;}
private:int _year;int _month;int _day;
};
// ⼀切皆可⽤列表初始化，且可以不加=
int main()
{// C++98⽀持的int a1[] = { 1, 2, 3, 4, 5 };int a2[5] = { 0 };Point p = { 1, 2 };// C++11⽀持的// 内置类型⽀持int x1 = { 2 };// ⾃定义类型⽀持// 这⾥本质是⽤{ 2025, 1, 1}构造⼀个Date临时对象// 临时对象再去拷⻉构造d1，编译器优化后合⼆为⼀变成{ 2025, 1, 1}直接构造初始化d1// 运⾏⼀下，我们可以验证上⾯的理论，发现是没调⽤拷⻉构造的Date d1 = { 2025, 1, 1 };// 这⾥d2引⽤的是{ 2024, 7, 25 }构造的临时对象const Date& d2 = { 2024, 7, 25 };// 需要注意的是C++98⽀持单参数时类型转换，也可以不⽤{}Date d3 = { 2025 };Date d4 = 2025;// 可以省略掉=Point p1{ 1, 2 };int x2{ 2 };Date d6{ 2024, 7, 25 };const Date& d7{ 2024, 7, 25 };// 不⽀持，只有{}初始化，才能省略=// Date d8 2025;vector<Date> v;v.push_back(d1);v.push_back(Date(2025, 1, 1));// ⽐起有名对象和匿名对象传参，这⾥{}更有性价⽐v.push_back({ 2025, 1, 1 });return 0;
}

2.3 C++11中的std::initializer_list

上面的初始化已经很方便，但是对象容器初始化还是不太方便，比如⼀个vector对象，我想用N个值去构造初始化，那么我们得实现很多个构造函数才能支持， vector v1 ={1,2,3};vector v2 = {1,2,3,4,5};
C++11库中提出了⼀个std::initializer_list的类， auto il = { 10, 20, 30 }; // thetype of il is an initializer_list ，这个类的本质是底层开⼀个数组，将数据拷贝过来，std::initializer_list内部有两个指针分别指向数组的开始和结束。
这是他的文档：initializer_list，std::initializer_list支持迭代器遍历。
容器支持⼀个std::initializer_list的构造函数，也就⽀持任意多个值构成的 {x1,x2,x3…} 进行初始化。STL中的容器支持任意多个值构成的 {x1,x2,x3…} 进行初始化，就是通过std::initializer_list的构造函数支持的。

所以自此一切都可以用列表初始化({})。

三.右值引用和移动语义

C++98的C++语法中就有引用的语法，而C++11中新增了的右值引用语法特性，C++11之后我们之前学习的引用就叫做左值引用。无论左值引用还是右值引用，都是给对象取别名。

3.1 左值和右值

左值是⼀个表示数据的表达式(如变量名或解引用的指针)，⼀般是有持久状态，存储在内存中，我们可以获取它的地址，左值可以出现赋值符号的左边，也可以出现在赋值符号右边。定义时const修饰符后的左值，不能给他赋值，但是可以取它的地址。
右值也是⼀个表示数据的表达式，要么是字面值常量、要么是表达式求值过程中创建的临时对象等，右值可以出现在赋值符号的右边，但是不能出现出现在赋值符号的左边，右值不能取地址。
值得⼀提的是，左值的英文简写为lvalue，右值的英文简写为rvalue。传统认为它们分别是leftvalue、right value 的缩写。现代C++中，lvalue 被解释为loactor value的缩写，可意为存储在内存中、有明确存储地址可以取地址的对象，而rvalue 被解释为 read value，指的是那些可以提供数据值，但是不可以寻址，例如：临时变量，字面量常量，存储于寄存器中的变量等，也就是说左值和右值的核心区别就是能否取地址。

#include<iostream>
using namespace std;
int main()
{// 左值：可以取地址// 以下的p、b、c、*p、s、s[0]就是常⻅的左值int* p = new int(0);int b = 1;const int c = b;*p = 10;string s("111111");s[0] = 'x';cout << &c << endl;cout << (void*)&s[0] << endl;// 右值：不能取地址double x = 1.1, y = 2.2;// 以下⼏个10、x + y、fmin(x, y)、string("11111")都是常⻅的右值10;x + y;fmin(x, y);string("11111");//cout << &10 << endl;//cout << &(x+y) << endl;//cout << &(fmin(x, y)) << endl;//cout << &string("11111") << endl;return 0;
}

3.2 左值引用和右值引用

Type& r1 = x; Type&& rr1 = y; 第一个语句就是左值引用，左值引用就是给左值取别名，第二个就是右值引用，同样的道理，右值引用就是给右值取别名。
左值引用不能直接引用右值，但是const左值引用可以引用右值
右值引用不能直接引用左值，但是右值引用可以引move(左值)
move是库里面的⼀个函数模板，本质内部是进行强制类型转换，当然他还涉及⼀些引用折叠的知识，这个我们后面会细讲。
需要注意的是变量表达式都是左值属性，也就意味着⼀个右值被右值引用绑定后，右值引用变量变量表达式的属性是左值
语法层面看，左值引用和右值引用都是取别名，不开空间。从汇编底层的角度看下面代码中r1和rr1汇编层实现，底层都是用指针实现的，没什么区别。底层汇编等实现和上层语法表达的意义有时是背离的，所以不要然到⼀起去理解，互相佐证，这样反而是陷入迷途。

3.3 引用延长生命周期

右值引用可用于为临时对象延长生命周期，const 的左值引用也能延长临时对象生存期，但这些对象无法被修改。

通常是延长临时对象,匿名对象的生命周期。
注意只能延长当前栈帧对象的生命周期。

未延长前直接在当前行结束后析构。

延长后程序结束后析构。

3.4 左值和右值的参数匹配

C++98中，我们实现⼀个const左值引用作为参数的函数，那么实参传递左值和右值都可以匹配。
C++11以后，分别重载左值引用、const左值引用、右值引用作为形参的f函数，那么实参是左值会匹配f(左值引用)，实参是const左值会匹配f(const 左值引用)，实参是右值会匹配f(右值引用)。编译器会调用最匹配的。
右值引用变量在用于表达式时属性是左值，这个设计这⾥会感觉跟怪，下⼀小节我们讲右值引用的使用场景时，就能体会这样设计的价值了

#include<iostream>
using namespace std;
void f(int& x)
{std::cout << "左值引用重载 f(" << x << ")\n";
}
void f(const int& x)
{std::cout << "const的左值引用重载 f(" << x << ")\n";
}
void f(int&& x)
{std::cout << "右值引用重载 f(" << x << ")\n";
}
int main()
{int i = 1;const int ci = 2;f(i); // 调⽤ f(int&)f(ci); // 调⽤ f(const int&)f(3); // 调⽤ f(int&&)，如果没有 f(int&&) 重载则会调⽤ f(const int&)f(std::move(i)); // 调⽤ f(int&&)// 右值引⽤变量在⽤于表达式时是左值int&& x = 1;f(x); // 调⽤ f(int& x)f(std::move(x)); // 调⽤ f(int&& x)return 0;
}

3.5 右值引用和移动语义的使用场景

3.5.1 左值引用主要使用场景回顾

左值引用主要使用场景是在函数中左值引用传参和左值引用传返回值时减少拷贝，同时还可以修改实参和修改返回对象的价值。左值引用已经解决⼤多数场景的拷贝效率问题，但是有些场景不能使用传左值引用返回，如addStrings和generate函数，C++98中的解决方案只能是被迫使用输出型参数解决。那么C++11以后这用可以使用右值引用做返回值解决吗？显然是不可能的，因为这用的本质是返回对象是⼀个局部对象，函数结束这个对象就析构销毁了，右值引用返回也无法概念对象已经析构销毁的事实。

class Solution {
public:// 传值返回需要拷⻉string addStrings(string num1, string num2) {string str;int end1 = num1.size() - 1, end2 = num2.size() - 1;// 进位int next = 0;while (end1 >= 0 || end2 >= 0){int val1 = end1 >= 0 ? num1[end1--] - '0' : 0;int val2 = end2 >= 0 ? num2[end2--] - '0' : 0;int ret = val1 + val2 + next;next = ret / 10;ret = ret % 10;str += ('0' + ret);}if (next == 1)str += '1';reverse(str.begin(), str.end());return str;}
};
class Solution {
public:// 这⾥的传值返回拷贝代价就太⼤了vector<vector<int>> generate(int numRows) {vector<vector<int>> vv(numRows);for (int i = 0; i < numRows; ++i){vv[i].resize(i + 1, 1);}for (int i = 2; i < numRows; ++i){for (int j = 1; j < i; ++j){vv[i][j] = vv[i - 1][j] + vv[i - 1][j - 1];}}return vv;}
};

3.5.2 移动构造和移动赋值

移动构造函数是⼀种构造函数，类似拷贝构造函数，移动构造函数要求第⼀个参数是该类类型的引用，但是不同的是要求这个参数是右值引用，如果还有其他参数，额外的参数必须有缺省值。
移动赋值是⼀个赋值运算符的重载，他跟拷贝赋值构成函数重载，类似拷贝赋值函数，移动赋值函数要求第⼀个参数是该类类型的引用，但是不同的是要求这个参数是右值引用。
对于像string/vector这样的深拷贝的类或者包含深拷贝的成员变量的类，移动构造和移动赋值才有意义，因为移动构造和移动赋值的第⼀个参数都是右值引用的类型，他的本质是要“窃取”引用的右值对象的资源，而不是像拷贝构造和拷贝赋值那样去拷贝资源，从提高效率。下面的bit::string样例实现了移动构造和移动赋值，我们需要结合场景理解。

namespace bit
{class string{public:typedef char* iterator;typedef const char* const_iterator;iterator begin(){return _str;}iterator end(){return _str + _size;}const_iterator begin() const{return _str;}const_iterator end() const{return _str + _size;}string(const char* str = ""):_size(strlen(str)), _capacity(_size){cout << "string(char* str)-构造" << endl;_str = new char[_capacity + 1];strcpy(_str, str);}void swap(string& s){::swap(_str, s._str);::swap(_size, s._size);::swap(_capacity, s._capacity);}string(const string& s):_str(nullptr){cout << "string(const string& s) -- 拷⻉构造" << endl;reserve(s._capacity);for (auto ch : s){push_back(ch);}}// 移动构造string(string&& s){cout << "string(string&& s) -- 移动构造" << endl;swap(s);}string& operator=(const string& s){cout << "string& operator=(const string& s) -- 拷⻉赋值" <<endl;if (this != &s){_str[0] = '\0';_size = 0;reserve(s._capacity);for (auto ch : s){push_back(ch);}}return *this;}// 移动赋值string& operator=(string&& s){cout << "string& operator=(string&& s) -- 移动赋值" << endl;swap(s);return *this;}~string(){cout << "~string() -- 析构" << endl;delete[] _str;_str = nullptr;}char& operator[](size_t pos){assert(pos < _size);return _str[pos];}void reserve(size_t n){if (n > _capacity){char* tmp = new char[n + 1];if (_str){strcpy(tmp, _str);delete[] _str;}_str = tmp;_capacity = n;}}void push_back(char ch){if (_size >= _capacity){size_t newcapacity = _capacity == 0 ? 4 : _capacity *2;reserve(newcapacity);}_str[_size] = ch;++_size;_str[_size] = '\0';}string& operator+=(char ch){push_back(ch);return *this;}const char* c_str() const{return _str;}size_t size() const{return _size;}
private:char* _str = nullptr;size_t _size = 0;size_t _capacity = 0;
};
}
int main()
{bit::string s1("xxxxx");// 拷⻉构造bit::string s2 = s1;// 构造+移动构造，优化后直接构造bit::string s3 = bit::string("yyyyy");// 移动构造bit::string s4 = move(s1);cout << "******************************" << endl;return 0;
}