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C++语言新特性2

news 来源：原创 2025/6/23 1:37:38

第009讲 关键字：nullptr/constexpr

1. nullptr

       nullptr 是 C++11 引入的一个关键字，用于表示空指针。它的主要作用是替代传统的 NULL 宏和 0，提供了更强的类型安全性。

特点：

  • 类型安全：nullptr 是一个指针类型，具体的类型是std::nullptr_t。因此，它可以隐式转换为任何类型的指针，但不能转换为整数类型，这样可以避免一些常见的错误。
  • 避免二义性：在函数重载时，如果使用 NULL 或 0，可能会导致二义性问题。而 nullptr 由于其明确的类型，可以消除这种困扰。

案例：

#include <iostream>

void func(int) {
    std::cout << "Called func with int" << std::endl;
}

void func(char*) {
    std::cout << "Called func with char*" << std::endl;
}

int main() {
    func(0);       // 可能会调用 func(int)
    func(NULL);    // 可能会调用 func(int) 或 func(char*)
    func(nullptr); // 明确调用 func(char*)
    return 0;
}

2. constexpr

       constexpr 关键字也是在 C++11 中引入的，用于指示一个变量或函数可以在编译时求值。这意味着可以在编译时计算其值，从而优化性能。

特点：

  • 编译时常量：使用 constexpr 声明的变量或函数，其值在编译时确定。这样可以提高性能，尤其是在常量表达式的情况下。
  • 函数：constexpr 函数可以在编译时求值，但并非所有 constexpr函数都必须在编译时执行。只有当它们的参数也是常量表达式时，才能在编译时求值。
  • C++14 和 C++17 的扩展：C++14 进一步扩展了constexpr 的能力，允许在 constexpr 函数中使用更复杂的语句（如条件语句和循环）。C++17 又引入了一些新的特性，使得 constexpr 更加灵活。

示例：

#include <iostream>

// constexpr 函数
constexpr int factorial(int n) {
    return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

int main() {
    constexpr int value = factorial(5); // 在编译时计算
    std::cout << "Factorial of 5 is: " << value << std::endl; // 输出 120
    return 0;
}

第010讲 共享内存

缺：

第011讲 std::unordered_set

       std::unordered_set 是 C++ 标准库中提供的一种关联容器，用于存储不重复的元素，它的底层实现通常使用哈希表。与 std::set 不同，std::unordered_set 不保证元素的顺序，因此在插入、删除和查找元素时具有平均常数时间复杂度 O(1)。

主要特点：

  • 无序性：元素的存储顺序与插入顺序无关。
  • 唯一性：不允许重复元素。
  • 快速查找：使用哈希表实现，平均查找时间复杂度为 O(1)。
  • 动态大小：根据需要自动扩展，管理内存。

包含的头文件

使用 std::unordered_set 时需要包含以下头文件：

#include <unordered_set>

基本用法

以下是 std::unordered_set 的一些基本用法示例：

#include <iostream>
#include <unordered_set>

int main() {
    // 创建一个 unordered_set
    std::unordered_set<int> mySet;

    // 插入元素
    mySet.insert(1);
    mySet.insert(2);
    mySet.insert(3);
    mySet.insert(2); // 2 将不会被插入，因为它是重复的

    // 输出集合元素
    std::cout << "Elements in mySet: ";
    for (const auto& elem : mySet) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 查找元素
    if (mySet.find(2) != mySet.end()) {
        std::cout << "2 is found in mySet." << std::endl;
    } else {
        std::cout << "2 is not found in mySet." << std::endl;
    }

    // 删除元素
    mySet.erase(2);

    // 检查元素是否存在
    if (mySet.find(2) == mySet.end()) {
        std::cout << "2 has been removed from mySet." << std::endl;
    }

    return 0;
}

主要成员函数：
insert()：添加元素，若元素已存在则不会插入。
erase()：删除指定元素。
find()：查找元素，返回一个迭代器指向该元素，若未找到则返回 end()。
count()：返回指定元素的个数（对于
unordered_set 来说，最大为 1）。
size()：返回集合中元素的数量。
clear()：清空集合。 begin() 和
end()：返回迭代器，用于遍历集合

示例：

#include <iostream>
#include <unordered_set>

struct Point {
    int x, y;

    // 重载比较运算符
    bool operator==(const Point& other) const {
        return x == other.x && y == other.y;
    }
};

// 自定义哈希函数
struct PointHash {
    std::size_t operator()(const Point& p) const {
        return std::hash<int>()(p.x) ^ std::hash<int>()(p.y);
    }
};

int main() {
    // 创建一个 unordered_set 存储 Point
    std::unordered_set<Point, PointHash> pointSet;

    // 插入元素
    pointSet.insert({1, 2});
    pointSet.insert({3, 4});
    pointSet.insert({1, 2}); // 重复的元素不会被插入

    // 输出集合元素
    for (const auto& point : pointSet) {
        std::cout << "(" << point.x << ", " << point.y << ")" << std::endl;
    }

    return 0;
}

其中：
1.结构体 PointHash：
这是一个自定义的哈希函数结构体，通常与 std::unordered_map 或 std::unordered_set 一起使用。
2.重载 operator()：
通过重载 operator()，PointHash 可以被当作函数调用。这种设计使得用户可以直接调用 PointHash 的实例，就像调用函数一样。
3.参数 const Point& p：
这个参数是一个常量引用，表示将要计算哈希值的 Point 对象。这种方式有效地避免了不必要的拷贝，提高了效率。
4.哈希计算：

  • std::hash()(p.x) 和 std::hash()(p.y)：分别计算 Point 对象的 x 和 y坐标的哈希值。
  • ^运算符：这是按位异或运算符，将两个哈希值结合在一起。异或运算可以在一定程度上减少哈希冲突，因为它将两个不同的值混合，产生一个新的哈希值。

注意事项：

  • 由于使用哈希表实现，std::unordered_set 对元素类型有特殊要求，元素类型必须支持哈希函数和相等比较。
  • 可以通过自定义哈希函数和比较函数来使用自定义类型作为 unordered_set 的元素。

总结
std::unordered_set 是一个高效且灵活的容器，适合需要快速查找、插入和删除操作的场景。通过合理的哈希函数和比较操作，可以方便地存储自定义类型的元素。

第012讲 关联容器：unordered_map

       unordered_map 是 C++ 标准库中提供的一种关联容器，属于 STL（标准模板库）的一部分。它是一个基于哈希表的实现，用于存储键值对数据。与 map 不同，unordered_map 不会保持元素的顺序，插入和查找的性能通常更快，但其内部元素的顺序是无序的。

特性：

  • 底层实现：unordered_map 使用哈希表来存储数据，因此查找、插入和删除操作的平均时间复杂度为 O(1)。
  • 无序性：与map（基于红黑树实现）不同，unordered_map 不会保持元素的顺序。元素的遍历顺序是无序的。
  • 键的唯一性：每个键只能出现一次，如果重复插入相同的键，则会更新其对应的值。
  • 自定义哈希：可以自定义哈希函数和比较函数，以支持自定义类型。

基本用法

以下是 unordered_map 的一些基本用法示例：

#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <string>

int main() {
    // 创建一个 unordered_map
    std::unordered_map<std::string, int> umap;

    // 插入元素
    umap["apple"] = 1;
    umap["banana"] = 2;
    umap["orange"] = 3;

    // 访问元素
    std::cout << "apple: " << umap["apple"] << std::endl; // 输出: apple: 1

    // 检查键是否存在
    if (umap.find("banana") != umap.end()) {
        std::cout << "banana is found with value: " << umap["banana"] << std::endl; // 输出: banana is found with value: 2
    }

    // 删除元素
    umap.erase("orange");

    // 遍历元素
    for (const auto& pair : umap) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

    return 0;
}

注意事项

  • 在使用 unordered_map 之前，确保你对哈希函数和哈希冲突有基本的了解。C++ 默认提供了常见类型（如整数、字符串）的哈希函数。
  • 对于自定义类型，需要提供自定义的哈希函数和比较函数。
  • 由于 unordered_map的实现是基于哈希表，因此在元素个数较少时，可能会造成内存空间的浪费。

第013讲 function函数对象

       在C++中，函数对象（Function Objects）是一个非常强大的特性。它们是可以被调用的对象，通常是通过重载运算符 () 来实现的。函数对象与普通函数相比，有几个优点，例如可以存储状态、参数化行为等。

       创建函数对象的基本步骤：

  • 定义一个类：创建一个类并重载 () 运算符。
  • 在类中添加成员变量（可选）：可以在类中添加成员变量，用于存储状态。
  • 实现operator()：实现重载的 () 运算符，用于函数调用的具体实现。

       c++函数对象：函数对象指定义operator()的对象，语法形式如下：

Class FunctionObjectType
 {
   Public:
   Void operator()(){
   操作语句
  }
 };

示例：

#include <iostream>

class Adder {
public:
    // 构造函数，接受一个整数值
    Adder(int value) : value(value) {}

    // 重载()运算符
    int operator()(int x) const {
        return x + value; // 返回 x 和 value 的和
    }

private:
    int value; // 存储的状态
};

int main() {
    Adder addFive(5); // 创建一个函数对象，添加 5
    std::cout << "Adding 10: " << addFive(10) << std::endl; // 输出 15

    Adder addTen(10); // 创建另一个函数对象，添加 10
    std::cout << "Adding 20: " << addTen(20) << std::endl; // 输出 30

    return 0;
}

       函数对象的优点：

  • 状态存储：函数对象可以存储状态，而普通函数不能。通过类的成员变量，你可以在不同的调用之间保持状态。
  • 灵活性：可以通过构造函数传递参数来调整函数对象的行为。
  • 可以与 STL容器和算法结合使用：函数对象可以与标准模板库（STL）的容器和算法紧密结合使用，例如 std::sort，std::for_each 等。

       使用函数对象的场景：

  • 算法和排序：可以使用自定义的比较器函数对象来控制 STL 算法的行为。
  • 回调：函数对象可以用作回调机制，在需要时将其传递给其它函数。
  • 延迟计算：通过将函数对象存储在数据结构中，可以实现延迟计算的功能。

示例使用函数对象与 STL 算法：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>

class Compare {
public:
    bool operator()(int a, int b) const {
        return a > b; // 从大到小排序
    }
};

int main() {
    std::vector<int> vec = {5, 2, 8, 1, 3};

    std::sort(vec.begin(), vec.end(), Compare()); // 使用函数对象进行排序

    std::cout << "Sorted vector: ";
    for (int num : vec) {
        std::cout << num << " "; // 输出排序后的数组
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

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