详解 C++11

1. C++11简介

C++11，是从C++98之后，一个非常重要的版本，在这个版本中，引入很多非常重要的更新：初始化列表，右值语义下的移动构造和移动赋值，emplace_back和lambda表达式等。

2. 初始化列表

这个初始化列表，不同类构造函数中的初始化列表，而是C++11引入的一种新数据结构：initializer_list。

initializer_list这种模板容器类型，构造和赋值都需使用{}这个列表结构进行，只能存储相同类型的数据，与顺序表类似。

2.1 {}

C++11中，引入初始化列表后，提出一个理念：万物皆可用{}进行初始化，即任何类型的数据定义时，用{}初始化，且可以省略赋值操作符。

{}用这个初始化，有两种情况：

• 一种是隐式类型转换成相应类型，然后再初始化。
• 另一种是，隐式类型转换成初始化列表类型，然后再用初始化列表进行初始化。当然，必须满足{}为相同类型才能转化为initializer_list,同时相应类型为自定义类型，并且提供了匹配initializer_list的接口：如果以上条件均满足，这是会优先匹配的。

3. 右值引用的移动语义

3.1 C++中的值概念

C++中将值分为两大类：泛左值和右值。

泛左值：可以进行用户层面ODR-USED的值，简单来说，就是用户可以直接取地址的值，我们都称之为泛左值。泛左值又分为：左值和将亡值。左值，主要强调生命周期存有一段时间；将亡值，则指生命周期即将结束。

右值：右值分为将亡值和纯右值。将亡值即泛左值中，纯右值则不能ODR_USED,用户层面无法取地址，通常是一些字面量或者临时对象和匿名对象。
实际上，C++中的右值概念是泛化的，传统意义上的右值应为纯右值，但是C++中，右值泛指那些字面量，或者非字面量中生命周期短暂，资源需要被转移的值。

3.2 左值引用与右值引用

&& 是右值引用，分为const和非const 版本。
& 是左值引用，同样分为const和非const版本。

需要特别注意的是，如果创建一个实际右值引用变量，那么这个变量本身具有左值属性，因为可被ODR_USED。

如果想要让一个变量具有右值属性，可以使用库函数move，本质就是实现一个类型强转功能。

任何值皆可被const&进行引用，但是右值引用只能引用严格具有右值属性的值，即纯右值，绝不能引用左值。

3.3 移动语义

什么是移动语义？移动语义是针对右值提出的。因为右值，基本为生命周期即将结束的值，而且临时对象或匿名对象，往往是一个表达式中的中间值，并不是最终结果——对于自定义类型的右值而言，尤其包含资源时，资源的深拷贝消耗很大，效率不高，而这些右值，申请了资源，却又要很快释放资源，没有意义。因此，就可以把这些右值的资源，转移给相应的左值，进而减少资源的申请和释放，这就是右值引用的移动语义。

3.4 移动语义下的构造,赋值和插入

在什么时候会出现申请资源的深拷贝呢？自定义类型的构造和赋值时。

因此，除却原有的拷贝构造和拷贝赋值，引入移动构造和移动赋值。

移动构造和移动赋值是用来进行资源转移的。一个右值对象，会优先匹配移动构造和移动赋值，其次再匹配拷贝构造和拷贝赋值。

移动构造与移动赋值，建议声明为noexcept,即不允许抛异常，因为资源交换的过程不允许被中断，否则可能产生一些问题；而拷贝构造和拷贝赋值，对异常的容忍度高，也实际存在需要catch异常的场景，因为存在new申请资源。

c++11引入移动语义后，相关插入接口基本重载了右值引用的移动版本，如：push_back和insert系列接口。

4. emplace_back

4.1 emplace_back 和 push_back

既然push_back已经重载右值版本，整体效率大大提升，为什么要引入emplace_back？

emplace_back实际是插入效率的进一步提升，在push_back需要构造+移动构造的场景下(即涉及隐式类型转换),emplace_back可以实现直接构造。

那么，emplace_back的直接构造如何实现？其中涉及引用折叠，完美转发以及可变参数模板等知识。

4.2 引用折叠

引用折叠的出现，主要是在万能引用的背景下提出的。

C++中，希望存在万能引用，即传入一个左值，通过左值引用；传入一个右值，通过右值引用——为了实现万能引用，引用折叠规则因此而生。

using type1 = int&&;
using type2 = int&;
template<class T>
void f(T&)
{}template<class T>
void f(T&&)

引用折叠出现在类型的重命名和模板中，不能自身写多个&,编译器无法解析。

对于左值引用类型，即无论&左侧无论是&，还是&&都最终解析成左值引用，所以最终传入右值或左值，均被左值引用。

对于右值引用类型，&&的左侧如果是&，解析成左值引用；如果是&&，则解析成右值引用。所以，就有万能引用：传入左值，则会自动推导出&,形成左值引用；传入右值，则自动推导出相应类型，构成右值引用(不推导出&&,虽然最终也构成右值引用)

4.3 完美转发

万能引用很方便，但是又引入新问题：因为右值引用的对象本身具有左值属性，万能引用让左值被左值引用，右值被右值引用，但如果调用函数，只能匹配到左值引用的版本。
而实际上，传入右值，是希望资源转移，此时却无法实现。不能直接move,因为左值不允许资源转移。

所以，我们希望传入后，能够保持之前传入值的类型，这样可以实现自行匹配：资源转移或不转移。因此，引入完美转发。

std::forward<T>();

forward本质是一个函数模板，实际使用时，将万能引用模板中的T类型进行函数实例化，然后将相应引用对象作为参数传入，本质也是类型强转——这样即可实现值类型保持。

顺带提一嘴，decltype关键字，decltype,给其对象，会返回对象的实际类型。

4.4 可变参数模板

C中支持可变参数，C++中同样引入了一套可变参数机制：即可变参数模板。

template<class ...Args>
void func(Args... args)
{}

上图中，func函数支持多参数传入，这些参数最终会被打包成一个参数包，参数包类型是Args，采用模板类型(因为不同的参数，打包后，决定参数包类型的不同)，参数包对象是args：理解args,可以直接把其拆成多个参数分列理解，实际上起到的作用也是如此。

4.4.1 包扩展

如何对参数包进行解包，即分别拿到参数包中的每一个参数？

有两种常用的解包方式：

void ShowList()
{std::cout << “无参数” << std::endl;
}template<class T,class ...Args>
void ShowList(T x,Args... args)
{std::cout << x << std::endl;ShowList(args);//本质是在编译时递归解包,通过函数模板的自动推导和函数重载实现
}template<class ...Args>
void func(Args... args)
{ShowList(args);
}

template<class T>
const T& GetArgs(const T& x)
{std::cout << x << std::endl;
}
template<class ...Args>
void Argument(Args... args)
{
}
template<class ...Args>
void func(Args... args)
{Argument(GetArgs(args)...);//此处的含义是将args参数包中的每一个参数分别单独传给GetArgs并调用该函数，如果没有参,则就不再调用GetArgs,最终GetArgs返回的所有参数，再一起传给Argument.
}

除此之外，再介绍一个专门用于计算参数包中参数个数的操作符：sizeof…(args)，给相应的参数包对象，可以得到其中参数个数。

4.5 emplace_back的实现

emplace_back的实现中：

1. 借助可变参数模板，实现直接传入可变的参数，这些参数是可以用来直接构造自定义类型的对象。特别说明，push_back支持传入{}，存在隐式类型转换；但由于emplace_back实现为可变参数模板，反倒不再支持传入{}。
2. 借助万能引用和完美转发，使得传入的右值对象保持右值，传入的左值保持左值，进而保证能正确匹配相应构造函数。
3. 为什么是直接构造？前面说过，args可以将其展开成多个参数看待，因此调用构造函数时，可以直接传入——构造函数中，如果实现可变参数模板的，则会优先进行函数包匹配，否则则将函数包展开匹配相应的构造。 对于底层的空间，如果未开辟，则直接new调用相关构造，否则使用定位new，同样是直接构造。

5. lambda表达式

lambda表达式是C++从别的语言中引入的，一种轻量化实现的可调用对象。

lambda表达式统一结构：

[capture](parameters) mutable -> return_type{ body };

lambda表达式示例：

int x = 5;
int y = 6;
auto f = [x,&y](int z) mutable -> void{std::cout << x << std::endl;std::cout << y << std::endl;std::cout << z << std::endl;
};

5.1 lambda表达式结构

lambda表达式结构与函数类似，有函数体，函数参数等。
但是lambda表达式不用写出函数名，同时存在捕捉列表[ ]结构。
lambda表达式的返回值可以显式通过 -> 指明，也可以依赖编译器自动推导。

因为lambda表达式希望能够在函数体中使用一些对象，同时又不希望通过参数形式传入，因此引入捕捉列表。

捕捉列表即对lambda表达式外部变量进行捕捉，分为值捕捉和引用捕捉。

• 值捕捉。值捕捉直接写对象名，捕捉到的对象本质是外部对象的拷贝，具有const属性，如果要修改，需要在lambda表达式传入参数表，即()后，添加mutable.
• 引用捕捉。引用捕捉使用&,捕捉到的对象是外部对象的引用，不具有const属性，可直接修改，引用会影响外部对象。

当然，也可以值捕捉和引用捕捉混用。除此之外，还有隐式捕捉和显式捕捉之分：显式，就是明确显出捕捉哪个对象；隐式，就是只表明是值捕捉 = 还是引用捕捉 & ，根据函数体中实际使用到的对象，编译器自行进行捕捉。

5.2 lambda表达式原理

每一个lambda表达式都具有自己的唯一类型，这个类型是编译器生成的，我们上层一般无法直接得知。因此，lambda表达式对象，类型一般都写成auto,类型由编译器自行推导。

在C++中，lambda表达式，底层本质就是一个仿函数，实现了对operator()的重载。

而捕捉列表中捕捉的对象，本质就是类中成员变量：非mutable值捕捉，就是类中定义相应const 对象，并在构造中完成拷贝，加上mutable,就是去除const关键字；引用捕捉，就是类中定义相应引用对象，并在构造中完成引用。