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【C++】：C++11详解 —— 入门基础

news 来源：原创 2025/5/14 23:45:22

目录

C++11简介

统一的列表初始化

1.初始化范围扩展

2.禁止窄化转换（Narrowing Conversion）

3.解决“最令人烦恼的解析”（Most Vexing Parse）

4.动态数组初始化

5. 直接初始化返回值

总结

声明

1.auto 类型推导

2. decltype 类型推导

3. 尾置返回类型（Trailing Return Type）

4. nullptr 关键字

5.using 别名声明

6.默认和删除函数（= default 与 = delete）

范围for循环

STL容器

1. std::array（固定大小数组）

2. std::forward_list（单向链表）

3. 无序关联容器（基于哈希表）

4. std::tuple（元组容器）

C++11简介

C++11（原称 C++0x）是 C++ 编程语言的第三个国际标准（ISO/IEC 14882:2011），于 2011 年 8 月正式发布。它是自 1998 年 C++98 标准后的首次重大更新，引入了大量新特性，旨在提高代码效率、简化开发流程并支持现代编程范式。C++11 被广泛认为是 C++ 的“现代化重生”，推动了语言向更高抽象层级、更安全的资源管理和更强大的并发支持发展。

C++11 的起源

  1. 应对现代编程挑战
    C++03（2003 年小修订版）后，开发者逐渐发现语言在并发编程、泛型编程和资源管理上的局限性。硬件多核化、移动语义需求（如高效对象转移）等趋势要求语言进化。

  2. 标准化进程

    • C++0x 项目：最初计划在 2000 年代完成（故代号 C++0x），但因复杂性多次延期，最终于 2011 年发布，更名为 C++11。

    • 委员会合作：ISO C++ 标准委员会（WG21）主导设计，融合了全球开发者、学术界和企业的提案，Bjarne Stroustrup（C++ 创始人）和 Herb Sutter 等专家推动关键特性。

  3. 设计目标

    • 保持与 C++98/C++03 的兼容性。

    • 提升类型安全性和性能（如右值引用、移动语义）。

    • 简化代码（如 auto 关键字、范围 for 循环）。

    • 支持多线程（标准线程库 <thread>）。

统一的列表初始化

C++11 引入了 统一列表初始化（Uniform Initialization），允许使用统一的 {} 语法初始化各种类型的对象（包括基本类型、数组、结构体、类对象、容器等）。这一特性解决了传统初始化方式的不一致性问题，增强了代码的可读性和安全性。

1.初始化范围扩展

C++98 的限制

  • 仅支持聚合类型（如数组、无自定义构造函数的结构体/类）的列表初始化：
int arr[] = {1, 2, 3};        // 允许：数组

struct Point 
{ 
    int x；
    int y; 
};
Point p = {3, 4};             // 允许：聚合类
  • 不支持非聚合类型（如有构造函数的类或 STL 容器）直接使用 {} 初始化：
std::vector<int> v = {1, 2, 3}; // C++98 报错：不支持直接列表初始化

C++11 的改进

  • 支持所有类型（包括非聚合类、容器、用户自定义类型）的列表初始化： 
    // 直接初始化非聚合类（需定义接受 std::initializer_list 的构造函数）
    std::vector<int> v = {1, 2, 3};   // 合法
    std::string s{"Hello"};           // 合法

    struct Point
    {
	    int _x;
	    int _y;
    };
    // 使用大括号对内置类型进行初始化
	int x1 = { 1 }; // 可添加等号
	int x2{ 2 };    // 可不添加等号

	// 使用大括号对数组元素进行初始化
	int array1[]{1, 2, 3, 4, 5}; // 可不添加等号

	// 使用大括号对结构体元素进行初始化
	Point p{ 1, 2 }; //可不添加等号

2.禁止窄化转换（Narrowing Conversion）

C++98 的问题

  • 允许隐式窄化转换（可能导致数据丢失或未定义行为）：

int x = 5.5;   // 合法：隐式截断为 5（但可能导致逻辑错误）

C++11 的改进

  • 使用 {} 初始化时禁止隐式窄化转换：

int x{5.5};    // 编译错误：double → int 是窄化转换
int y(5.5);    // 合法（传统方式允许，但结果可能不符合预期）

3.解决“最令人烦恼的解析”（Most Vexing Parse）

C++98 的歧义问题

  • 声明对象时可能被误解析为函数声明：

class Widget { /*...*/ };
Widget w();     // 歧义：声明一个返回 Widget 的函数，而非默认构造对象

C++11 的改进

  • 使用 {} 消除歧义：

Widget w1{};    // 明确调用默认构造函数
Widget w2();    // 仍被解析为函数声明

4.动态数组初始化

C++98 的限制

  • 动态分配的数组无法直接初始化：

int* arr = new int[3]; // 需后续逐个赋值
arr[0] = 1; arr[1] = 2; arr[2] = 3;

C++11 的改进

  • 允许动态数组直接使用列表初始化：

int* arr = new int[3]{1, 2, 3}; // 合法

5. 直接初始化返回值

C++98 的局限

  • 函数返回复杂对象时需显式构造：

std::vector<int> getData() {
    std::vector<int> tmp;
    tmp.push_back(1);
    tmp.push_back(2);
    return tmp;
}

C++11 的改进

  • 可直接返回初始化列表：

std::vector<int> getData() {
    return {1, 2, 3}; // 直接构造并返回
}

总结

C++11 的统一列表初始化通过以下方式彻底改变了 C++ 的编码风格：

  1. 语法一致性：所有类型初始化方式统一，减少记忆负担。

  2. 安全性增强：禁止窄化转换，避免潜在错误。

  3. 代码简洁性：简化容器和复杂对象的初始化流程。

  4. 现代编程支持：为后续标准（如 C++14/17）的改进奠定基础。

声明

C++11 在变量、函数、类等声明方面引入了多项重要改进，旨在提升代码简洁性、类型安全性和表达能力。

1.auto 类型推导

  • 功能：允许编译器自动推导变量类型，减少冗余的类型书写。

auto x = 42;                    // x → int
auto s = "Hello";               // s → const char*
std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
auto it = vec.begin();          // it → std::vector<int>::iterator

// C++98 必须显式写出类型
std::vector<int>::iterator it = vec.begin();

2. decltype 类型推导

  • 功能：获取表达式的类型，用于声明复杂类型或模板编程。

int x = 10;
decltype(x) y = 20;             // y 的类型为 int

template<typename T, typename U>
auto add(T a, U b) -> decltype(a + b) { // 推导返回值类型
    return a + b;
}

3. 尾置返回类型（Trailing Return Type）

  • 功能：将函数返回类型放在参数列表之后，提高可读性（尤其适用于模板函数）。

auto func(int a, double b) -> int; // 声明


// 结合 decltype 推导返回值类型。
// Lambda 表达式（隐式使用尾置返回类型）。
template<typename T, typename U>
auto multiply(T t, U u) -> decltype(t * u) {
    return t * u;
}

4. nullptr 关键字

  • 功能：替代 NULL 或 0 表示空指针，避免与整数类型的歧义。

void func(int);
void func(char*);
func(nullptr); // 调用 void func(char*)
func(0);       // 调用 void func(int)

// C++98
int* p = NULL; // C++98 中 NULL 通常是 0 的宏定义，类型不安全

5.using 别名声明

  • 功能：替代 typedef 定义类型别名，支持模板化。

using IntPtr = int*;          // 等价于 typedef int* IntPtr;
template<typename T>

using Vec = std::vector<T>;   // 模板化别名（C++98 无法实现）
Vec<int> v;                   // 等价于 std::vector<int>

6.默认和删除函数（= default 与 = delete）

  • = default：显式要求编译器生成默认函数（如构造函数、拷贝赋值运算符）。

class MyClass {
public:
    MyClass() = default;      // 显式生成默认构造函数
};
  • = delete：禁止编译器生成特定函数，或禁用某些重载。
class NonCopyable {
public:
    NonCopyable(const NonCopyable&) = delete; // 禁止拷贝
};
void func(int) {}
void func(double) = delete;   // 禁用 double 版本的重载

范围for循环

范围 for 循环是 C++11 引入的一项简化遍历操作的特性，它允许开发者以更简洁、直观的方式遍历容器、数组或其他可迭代对象的元素。

基本语法

for (声明 : 范围表达式) 
{
    // 循环体
}

  • 声明：定义一个变量，用于依次获取范围内的每个元素（通常使用 auto 推导类型）。

  • 范围表达式：可以是数组、STL 容器（如 vector、list）、初始化列表，或任何支持 begin() 和 end() 成员/自由函数的对象。

  • 隐式依赖 begin() 和 end()

    • 范围表达式必须能通过 begin(范围表达式) 和 end(范围表达式) 获取迭代器（包括自由函数或成员函数）。

代码示例：

// 结合 auto 关键字，避免显式写出复杂类型：
std::vector<int> vec = {1, 2, 3};
for (auto& num : vec)     // 使用引用避免拷贝
{ 
    num *= 2; // 可修改元素
}

// 使用 const auto& 避免拷贝，同时防止修改元素
for (const auto& str : stringList) 
{
    std::cout << str << std::endl;
}

STL容器

C++11中新增了五个容器，分别是array、forward_list、unordered_map和unordered_set、tuple

1. std::array（固定大小数组）

  • 用途：替代传统的 C 风格数组，提供安全的边界检查、STL 兼容接口和值语义

  • 对比 C++98：C 风格数组无成员函数，且易因越界导致未定义行为。

#include <array>
std::array<int, 3> arr = {1, 2, 3};
arr.at(1) = 42;    // 安全访问（越界抛出异常）
for (auto num : arr) { std::cout << num; } // 范围 for 循环

2. std::forward_list（单向链表）

  • 用途：内存敏感场景下的单向链表，仅支持前向遍历。

  • 特点：

    • 比 std::list（双向链表）更省内存（每个节点少一个指针）。

    • 仅支持 push_front()、insert_after() 等操作，无 size() 方法。

  • 适用场景：需要低内存开销且无需反向遍历的场景（如缓存池、轻量级链表）。

#include <forward_list>
std::forward_list<int> flist = {1, 2, 3};
flist.push_front(0);       // 头部插入
auto it = flist.begin();
flist.insert_after(it, 99); // 在第一个元素后插入

3. 无序关联容器（基于哈希表）

C++11 引入了基于哈希表的无序容器，提供平均 O(1) 复杂度的查找、插入和删除操作。

  • std::unordered_set 和 std::unordered_multiset

  • std::unordered_map 和 std::unordered_multimap

可以查看前面文章，STL详解

4. std::tuple（元组容器）

  • 用途：存储任意类型组合的固定大小集合（类似结构体，但无需显式定义类型）。

  • 特点：

    • 支持通过 std::get<索引> 或结构化绑定（C++17）访问元素。

    • 常用于函数多返回值或泛型编程。

#include <tuple>
auto data = std::make_tuple(42, "Hello", 3.14);
int num = std::get<0>(data);      // 获取第一个元素
std::string str = std::get<1>(data);

对比表格：C++11 新增容器 vs C++98 容器

容器类型C++11 新增C++98 类似容器主要差异
固定数组std::arrayC 风格数组安全、支持 STL 接口
单向链表std::forward_liststd::list仅前向遍历，内存更省
哈希集合std::unordered_setstd::set无序 vs 有序，哈希表 vs 红黑树
哈希映射std::unordered_mapstd::map同上
元组std::tuple（增强）无直接等价多类型混合存储

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