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C++11 类功能与包装器

news 2025/9/7 17:49:45

一.C++11中新的类功能

1.默认的移动构造和移动赋值

1. 默认移动构造函数 (T(T&&))

行为：当一个类没有显式定义移动构造函数时，编译器在满足特定条件（见后文）时会自动生成一个默认的移动构造函数。

它的行为是：对其每个成员（包括基类成员）逐个进行移动初始化。

  • 对于内置类型（如 int, double, 原始指针等）：执行逐位拷贝（bitwise copy）。因为它们是“值”，没有“资源”可移动，所以拷贝和移动没有区别。

  • 对于类类型成员：调用该成员的移动构造函数。

  • 对于数组成员：对数组中的每个元素执行上述规则。

class MyClass {
public:std::string str; // 类类型成员int num;         // 内置类型成员// 编译器为我们生成默认的移动构造函数，类似于：// MyClass(MyClass&& other) noexcept//     : str(std::move(other.str)), // 调用 string 的移动构造函数//       num(other.num)            // 内置类型，直接拷贝// {}
};int main() {MyClass obj1;obj1.str = "Hello";obj1.num = 42;MyClass obj2 = std::move(obj1); // 调用默认移动构造函数std::cout << obj2.str << std::endl; // 输出 "Hello"std::cout << obj2.num << std::endl; // 输出 42// obj1 的 str 已被“掏空”，处于有效但未指定的状态（通常是空字符串）std::cout << obj1.str.size() << std::endl; // 很可能输出 0// obj1.num 的值不变，因为它只是被拷贝了std::cout << obj1.num << std::endl; // 输出 42return 0;
}

2. 默认移动赋值运算符 (T& operator=(T&&))

行为：

同样地，当没有显式定义时，编译器在满足条件时会生成默认的移动赋值运算符。

它的行为是：对其每个成员（包括基类成员）逐个进行移动赋值。

  • 释放当前对象（*this）拥有的资源（通过调用各成员的析构函数或赋值运算符）。

  • 从源对象（右值引用）中“窃取”资源。

  • 返回 *this 的引用。

class MyClass {
public:std::string str;int num;// 编译器为我们生成默认的移动赋值运算符，类似于：// MyClass& operator=(MyClass&& other) noexcept {//     str = std::move(other.str); // 调用 string 的移动赋值运算符//     num = other.num;           // 内置类型，直接赋值//     return *this;// }
};int main() {MyClass obj1;obj1.str = "Hello";obj1.num = 42;MyClass obj2;obj2 = std::move(obj1); // 调用默认移动赋值运算符// 效果与移动构造函数类似：obj2 获得资源，obj1 被“掏空”return 0;
}

3.特点与关键点

  1. 自动生成的条件 (Rule of Five/The Rule of Zero)

    • 编译器不会总是自动生成移动操作。

    • 生成条件：只有在用户没有显式定义拷贝操作、移动操作和析构函数中的任何一个时，编译器才会自动生成默认的移动构造函数和移动赋值运算符。

    • 背后的逻辑：如果你定义了析构函数或拷贝操作，通常意味着这个类需要管理某种资源，编译器无法确定默认的“逐个成员移动”行为是否正确和安全，因此它选择不生成，将选择权交给程序员。此时，移动操作会回退为拷贝操作（如果拷贝操作可用），这可能是低效的。

  2. noexcept 说明符

    • 编译器生成的默认移动操作通常被标记为 noexcept（不抛出异常）。

    • 这非常重要，因为标准库容器（如 std::vector）在重新分配内存时，如果元素的移动构造函数是 noexcept 的，它会优先使用移动而不是拷贝来保证强异常安全。如果不是 noexcept，则会使用更保守的拷贝操作。

  3. 源对象状态

    • 移动操作后，源对象（被移动的对象）的状态是“有效但未指定的”（valid but unspecified）。你不能再对它的值做任何假设，但可以对其进行析构或重新赋值。

    • 对于像 std::string 或 std::vector 这样的标准库类型，移动后它们通常处于空状态（.empty() == true）。

    • 对于内置类型，移动操作等同于拷贝，所以值保持不变。

  4. 与拷贝操作的区别

    特性拷贝操作移动操作
    目的创建资源的独立副本“窃取”资源，所有权转移
    性能开销大（深拷贝）开销小（指针交换等）
    源对象操作后保持不变操作后处于“有效但未指定”状态
    参数const T& (常量左值引用)T&& (右值引用)

当你的类管理着动态资源（如原始指针、文件句柄等），而默认的“逐个成员移动”行为不正确时（例如，默认移动一个原始指针只是拷贝了指针值，会导致双重释放），你需要自己定义移动操作来实现资源的正确转移，并将源对象的资源指针置为 nullptr。

现代 C++ 的最佳实践是使用 RAII 原则，用智能指针（std::unique_ptr, std::shared_ptr）和标准库容器来管理资源。这些类已经完美实现了移动语义，因此你通常不需要自己定义析构函数、拷贝/移动操作（遵循 The Rule of Zero），编译器生成的默认行为就是正确且高效的。

总结

特性默认移动构造函数默认移动赋值运算符
行为对每个成员进行移动初始化对每个成员进行移动赋值
生成条件用户未定义五巨头（拷贝构造、拷贝赋值、移动构造、移动赋值、析构）中的任何一个同上
异常规范noexceptnoexcept
优点高效，避免不必要的拷贝同上
缺点对管理原始资源的类不安全（浅拷贝问题）同上
最佳实践使用 RAII 对象管理资源，依赖编译器生成的默认操作（Rule of Zero）同上

2.default与delete

• C++11可以让你更好的控制要使⽤的默认函数。假设你要使⽤某个默认的函数，但是因为⼀些原因这个函数没有默认⽣成。⽐如：我们提供了拷⻉构造，就不会⽣成移动构造了，那么我们可以使⽤default关键字显⽰指定移动构造⽣成。

• 如果能想要限制某些默认函数的⽣成，在C++98中，是该函数设置成private，并且只声明补丁，这样只要其他⼈想要调⽤就会报错。在C++11中更简单，只需在该函数声明加上=delete即可，该语法指⽰编译器不⽣成对应函数的默认版本，称=delete修饰的函数为删除函数。

class Person
{
public:Person(const char* name = "张三", int age = 1):_name(name), _age(age){}Person(const Person& p) = default;Person(Person&& p) = default;~Person(){}
private:wjh::string _name;int _age;
};void func(ostream& out)
{}

二.包装器与绑定

1.包装器

包装器function是一种类模板，它主要用于接收各种可调用的类型，例如函数，类模板，lambda表达式等，但要注意参数类型要与可调用类型相匹配，例如：

class Plus
{
public:Plus(int n = 10):_n(n){}static int plusi(int a, int b){return a + b;}double plusd(double a, double b){return (a + b) * _n;}private:int _n;
};int main()
{// 包装各种可调用对象function<int(int, int)> f1 = f;function<int(int, int)> f2 = Functor();function<int(int, int)> f3 = [](int a, int b) {return a + b; };cout << f1(1, 1) << endl;cout << f2(1, 1) << endl;cout << f3(1, 1) << endl;// 包装静态成员函数// 成员函数要指定类域并且前面加&才能获取地址function<int(int, int)> f4 = &Plus::plusi;cout << f4(1, 1) << endl;function<double(Plus*, double, double)> f5 = &Plus::plusd;Plus pl;cout << f5(&pl, 1.111, 1.1) << endl;function<double(Plus, double, double)> f6 = &Plus::plusd;cout << f6(pl, 1.1, 1.1) << endl;cout << f6(Plus(), 1.1, 1.1) << endl;function<double(Plus&&, double, double)> f7 = &Plus::plusd;cout << f7(move(pl), 1.1, 1.1) << endl;cout << f7(Plus(), 1.1, 1.1) << endl;map<string, function<int(int, int)>> opFuncMap = {{"+", [](int x, int y) {return x + y; }},{"-", [](int x, int y) {return x - y; }},{"*", [](int x, int y) {return x * y; }},{"/", [](int x, int y) {return x / y; }},{"&", [](int x, int y) {return x + y; }},{"|", [](int x, int y) {return x | y; }},{"^", [](int x, int y) {return x ^ y; }}};return 0;
}

主要用途：

  1. 统一类型：可以将函数指针、lambda、仿函数（重载了 operator() 的类）、std::bind 表达式等所有可调用对象赋值给同一个 std::function 类型，消除了它们的类型差异。

  2. 延迟调用：可以将可调用对象存储起来，在未来的某个时刻再调用它。这在实现回调函数、事件驱动系统、消息队列时非常有用。

  3. 作为函数参数：函数可以使用 std::function 作为参数来接收外部传入的可调用策略，使函数接口更加通用和灵活，而无需使用函数指针或模板（模板会导致代码膨胀）。

2.绑定

std::bind 是一个函数模板，它像一个通用的函数适配器。它接受一个可调用对象，并生成一个新的可调用对象，这个新对象可以“绑定”原对象的部分参数，或者重新排列参数的顺序。这里最直接的应用就是调整参数顺序或者绑定死某个参数。例如上面对类成员函数的包装，第一个参数需要是this指针，我们只需要将这个参数绑死就不需要再传入了。

auto sub1 = bind(Sub, _1, _2);
cout << sub1(10, 5) << endl;auto sub2 = bind(Sub, _2, _1);
cout << sub2(10, 5) << endl;// 调整参数个数 （常用）
auto sub3 = bind(Sub, 100, _1);
cout << sub3(5) << endl;auto sub4 = bind(Sub, _1, 100);
cout << sub4(5) << endl;// 分别绑死第123个参数
auto sub5 = bind(SubX, 100, _1, _2);
cout << sub5(5, 1) << endl;
auto sub6 = bind(SubX, _1, 100, _2);
cout << sub6(5, 1) << endl;
auto sub7 = bind(SubX, _1, _2, 100);
cout << sub7(5, 1) << endl;// 成员函数对象进行绑死，就不需要每次都传递了
*function<double(Plus&&, double, double)> f6 = &Plus::plusd;
Plus pd;
cout << f6(move(pd), 1.1, 1.1) << endl;
cout << f6(Plus(), 1.1, 1.1) << endl;*/function<double(double, double)> f6 = bind(&Plus::plusd, Plus(), _1, _2);
cout << f6(1.1, 1.1) << endl;

3.包装器与绑定的简单应用

逆波兰表达式

传统方法实现

 //传统⽅式的实现
class Solution {
public:int evalRPN(vector<string>& tokens) {stack<int> st;for (auto& str : tokens){if(str == "+" || str == "-" || str == "*" || str == "/"){int right = st.top();st.pop();int left = st.top();st.pop();switch (str[0]){case '+':st.push(left + right);break;case '-':st.push(left - right);break;case '*':st.push(left * right);break;case '/':st.push(left / right);break;}} else{st.push(stoi(str));}} return st.top();}
};

使用映射+function实现

// 使⽤map映射string和function的⽅式实现
// 这种⽅式的最⼤优势之⼀是⽅便扩展，假设还有其他运算，我们增加map中的映射即可
class Solution {
public:int evalRPN(vector<string>& tokens) {stack<int> st;// function作为map的映射可调⽤对象的类型map<string, function<int(int, int)>> opFuncMap = {{"+", [](int x, int y) {return x + y; }},{"-", [](int x, int y) {return x - y; }},{"*", [](int x, int y) {return x * y; }},{"/", [](int x, int y) {return x / y; }}};for(auto & str : tokens){if (opFuncMap.count(str)) // 操作符{int right = st.top();st.pop();int left = st.top();st.pop();int ret = opFuncMap[str](left, right);st.push(ret);} else{st.push(stoi(str));}} return st.top();}
}


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