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第十章：C++ 标准

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C++ 语言不断演进，每个新版本都引入了新的特性和改进。本章将详细介绍 C++11、C++14、C++17、C++20 和 C++23 的重要特性及其对 C++ 开发的影响。通过对这些标准的学习，读者可以掌握现代 C++ 编程的最新趋势，提高代码的可维护性、性能和可扩展性。

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10.1 C++11：现代 C++ 的开端

C++11 标准是 C++ 语言历史上的一次重大更新，它引入了大量的新特性，使得 C++ 语言更加现代化和简洁。C++11 标准的目标是让 C++ 更加安全、表达力更强，同时提高代码的效率。

• 自动类型推导（auto）

  • auto 关键字让编译器自动推导变量类型，减少冗余代码。
  • 示例：

    auto x = 42;  // x 的类型是 int
    auto pi = 3.14159;  // pi 的类型是 double
    

• 范围-based for 循环

  • C++11 引入了范围-based for 循环，简化了遍历容器的代码。
  • 示例：

    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (auto& value : vec) {std::cout << value << std::endl;
    }
    

• 智能指针（std::unique_ptr 和 std::shared_ptr）

  • std::unique_ptr 和 std::shared_ptr 自动管理资源，减少内存泄漏风险。
  • 示例：

    std::unique_ptr<int> ptr = std::make_unique<int>(10);
    std::shared_ptr<int> sptr = std::make_shared<int>(20);
    

• 并发编程支持（std::thread）

  • 引入了 std::thread 类，使多线程编程更加简单。
  • 示例：

    void print() {std::cout << "Hello from thread!" << std::endl;
    }int main() {std::thread t(print);t.join();
    }
    

• 右值引用与移动语义

  • 右值引用 (&&) 使得移动语义成为可能，提升性能，尤其是在大对象的复制过程中。
  • 示例：

    std::vector<int> make_vector() {std::vector<int> v = {1, 2, 3};return v;  // 使用移动语义
    }
    

• Lambda 表达式

  • Lambda 表达式使得匿名函数更加简洁，可以作为回调或线程任务。
  • 示例：

    auto add = [](int a, int b) { return a + b; };
    std::cout << add(3, 4) << std::endl;
    

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10.2 C++14：小的改进与修复

C++14 标准主要对 C++11 的一些特性进行了小幅度的改进和修复，增强了语言的稳定性和可用性。

• Lambda 表达式的泛型（泛型 lambda）

  • 允许在 Lambda 表达式中使用 auto 作为参数类型。
  • 示例：

    auto add = [](auto a, auto b) { return a + b; };
    std::cout << add(1, 2) << std::endl;  // 支持泛型
    

• std::make_unique

  • 引入了 std::make_unique 工厂函数，简化了 std::unique_ptr 的创建。
  • 示例：

    auto ptr = std::make_unique<int>(10);
    

• constexpr 扩展

  • C++14 扩展了 constexpr 的功能，使得更多复杂的计算可以在编译时完成。
  • 示例：

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

• 自动推导返回类型

  • 在函数返回类型上使用 auto，使得返回类型可以由编译器自动推导。
  • 示例：

    auto add(int a, int b) {return a + b;
    }
    

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10.3 C++17：更多现代化特性

C++17 标准引入了更丰富的语言特性和库增强，进一步提升了 C++ 的可读性、表达能力和性能。

• 结构化绑定声明（Structured Bindings）

  • 允许将元组、pair 或结构体拆解为多个变量。
  • 示例：

    std::tuple<int, double> t = {1, 3.14};
    auto [x, y] = t;  // 结构化绑定
    

• std::optional

  • std::optional 表示可能缺失的值，适用于函数可能失败或没有值的情况。
  • 示例：

    std::optional<int> get_value(bool condition) {if (condition) return 42;return std::nullopt;
    }
    

• std::variant

  • std::variant 提供了一个类型安全的联合体，可以存储不同类型的值。
  • 示例：

    std::variant<int, double> v = 42;
    std::visit([](auto&& arg) { std::cout << arg << std::endl; }, v);
    

• 并行算法

  • C++17 引入了对并行执行的支持，标准库中的许多算法可以使用并行策略。
  • 示例：

    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::transform(std::execution::par, vec.begin(), vec.end(), vec.begin(), [](int x) { return x * 2; });
    

• std::filesystem

  • 引入了一个标准的文件系统库，简化了文件路径操作。
  • 示例：

    #include <filesystem>
    namespace fs = std::filesystem;
    fs::path p = "example.txt";
    if (fs::exists(p)) {std::cout << "File exists" << std::endl;
    }
    

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10.4 C++20：概念、协程与更强大的库

C++20 引入了诸多新特性，最为重要的是概念和协程的支持，显著提高了 C++ 编程的表达能力和易用性。

• 概念（Concepts）

  • 概念为模板提供了类型约束，使模板更加类型安全和易于理解。
  • 示例：

    template <typename T>
    concept Incrementable = requires(T x) { ++x; x++; };template <Incrementable T>
    void increment(T& value) {++value;
    }
    

• 协程（Coroutines）

  • 协程使得异步编程变得更加简洁和直观，使用 co_await 和 co_return 关键字实现异步操作。
  • 示例：

    #include <coroutine>std::future<int> getData() {co_return 42;
    }
    

• 范围库（Ranges）

  • 提供了更强大的范围操作功能，如更直观的管道操作。
  • 示例：

    #include <ranges>
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
    auto result = vec | std::ranges::view::transform([](int x) { return x * 2; });
    

• std::span

  • std::span 提供了对数组的安全视图，避免了传统数组指针操作中的风险。
  • 示例：

    std::span<int> span = {1, 2, 3, 4};
    for (int val : span) {std::cout << val << " ";
    }
    

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10.5 C++23：渐进式增强

C++23 标准是对 C++20 的增强，修复了早期版本中的一些问题，并引入了更多的新特性。

• 扩展的 constexpr

  • constexpr 函数可以接受更复杂的逻辑，例如动态内存分配。

• std::expected

  • std::expected 用于返回可能失败的函数的结果，它是 std::optional 和 std::variant 的扩展。

• 更强的模式匹配

  • std::match 和模式匹配语法

的引入，使得从不同类型或结构中提取数据变得更加简单。

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总结

本章详细介绍了 C++11 至 C++23 各版本的重要特性，帮助读者理解现代 C++ 的演进历程和新特性如何提升代码的可读性、效率与安全性。从自动类型推导到协程、从概念到文件系统，每一项新特性都使得 C++ 编程变得更加现代化和易用。掌握这些特性，能帮助开发者在实际项目中写出更加简洁、高效、可维护的代码。