【C/C++】高阶用法_笔记
1. 模板元编程（TMP）与编译时计算
(1) 类型萃取与 SFINAE
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类型萃取（Type Traits）：利用模板特化在编译时推断类型属性。
template<typename T> struct is_pointer { static constexpr bool value = false; };template<typename T> struct is_pointer<T*> { static constexpr bool value = true; };static_assert(is_pointer<int*>::value, "T must be a pointer"); -
SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）：通过模板参数匹配失败实现条件编译。
template<typename T> auto foo(T t) -> decltype(t.serialize(), void()) { /* T 有 serialize() 方法时调用 */ }template<typename T> void foo(...) { /* 默认实现 */ }
(2) 编译时计算（constexpr 与模板）
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constexpr 函数：在编译期执行计算。
constexpr int factorial(int n) {return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1); } static_assert(factorial(5) == 120); -
模板递归计算：
template<int N> struct Factorial { static constexpr int value = N * Factorial<N-1>::value; };template<> struct Factorial<0> { static constexpr int value = 1; };
2. 移动语义与完美转发
(1) 右值引用与移动语义
- 避免深拷贝：通过移动构造函数和
std::move转移资源所有权。class BigData {BigData(BigData&& other) noexcept : ptr_(other.ptr_) { other.ptr_ = nullptr; }int* ptr_; };BigData a; BigData b = std::move(a); // 触发移动构造
(2) 完美转发（Perfect Forwarding）
- 保留参数类型：使用
std::forward转发参数到其他函数。template<typename... Args> void wrapper(Args&&... args) {target(std::forward<Args>(args)...); // 保持参数的值类别（左值/右值） }
3. 智能指针与资源管理
(1) 所有权管理
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std::unique_ptr：独占所有权，不可复制，可移动。auto ptr = std::make_unique<int>(42); // 推荐替代 new -
std::shared_ptr：共享所有权，基于引用计数。auto ptr = std::make_shared<int>(42); // 引用计数 +1 auto ptr2 = ptr; // 引用计数 +2 -
std::weak_ptr：打破循环引用，避免内存泄漏。std::weak_ptr<A> weak = shared_ptr_A; if (auto spt = weak.lock()) { /* 安全访问 */ }
4. 并发编程与原子操作
(1) 线程与同步
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std::thread：跨平台线程管理。void task() { std::cout << "Thread running\n"; } std::thread t(task); t.join(); -
互斥锁与条件变量：
std::mutex mtx; std::unique_lock<std::mutex> lock(mtx); // RAII 风格锁 std::condition_variable cv; cv.wait(lock, []{ return data_ready; }); // 条件等待
(2) 原子操作（Atomic）
- 无锁编程：保证操作的原子性。
std::atomic<int> counter{0}; counter.fetch_add(1, std::memory_order_relaxed);
5. RAII（资源获取即初始化）
- 资源自动释放：利用对象生命周期管理资源（如文件句柄、网络连接）。
class FileHandle { public:FileHandle(const char* filename) : file_(fopen(filename, "r")) {}~FileHandle() { if (file_) fclose(file_); } private:FILE* file_; };
6. 类型推导与现代语法
(1) auto 与 decltype
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自动类型推导：
auto x = 42; // x 为 int auto& ref = x; // ref 为 int& const auto* ptr = &x; // ptr 为 const int* -
decltype推导表达式类型：int a = 10; decltype(a) b = a; // b 的类型为 int
(2) Lambda 表达式
- 匿名函数对象：
auto lambda = [](int x) -> int { return x * 2; }; std::vector<int> v = {1, 2, 3}; std::transform(v.begin(), v.end(), v.begin(), [](int x) { return x + 1; });
7. 元编程库与工具
(1) Boost 库
Boost.Hana：现代 C++ 元编程库。using namespace boost::hana; auto types = tuple_t<int, double, char>; // 类型容器
(2) std::variant 与 std::visit
- 类型安全的联合体：
std::variant<int, double, std::string> v; v = 3.14; // 存储 double std::visit([](auto&& arg) { std::cout << arg; }, v); // 访问值
8. 高级调试与优化
(1) 自定义内存管理
- 重载
new/delete：void* operator new(size_t size) {void* p = custom_alloc(size);if (!p) throw std::bad_alloc();return p; }
(2) 内联汇编与编译器指令
- 嵌入汇编代码（需谨慎）：
int add(int a, int b) {asm("addl %%ebx, %%eax;" : "=a"(a) : "a"(a), "b"(b));return a; }
应用场景示例
- 高性能计算：利用模板元编程生成优化代码，减少运行时开销。
- 游戏引擎：通过移动语义高效管理资源（纹理、模型）。
- 分布式系统：使用原子操作实现无锁数据结构（队列、哈希表）。
- 嵌入式开发：通过 RAII 管理硬件资源（GPIO、定时器）。
注意事项
- 可读性平衡：避免过度使用模板元编程导致代码晦涩。
- 异常安全：确保资源在异常发生时正确释放。
- 跨平台兼容性：注意不同编译器对特性的支持差异（如 MSVC 和 GCC）。