@levinzhang 2023-06-24T10:06:33.000000Z 字数 6027 阅读 304

重新学习C++11之后的C++

Frances Buontempo

摘要：

C++是一门古老但不断演进的语言。它已经存在很久了，但是其变化也是非常大的，尤其是2011年之后。在本文中，我们将回顾它最引人注目的一些新特性，包括range、lambda、基于range的循环和移动语义，所有的这些特性都会通过一个vector进行练习。

Key Takeaways

C++依然非常重要，而且将会永远如此。
有许多资源可以帮助我们学习现代C++，包括Godbolt的编译器探索器、ISOCpp和CppReference。
C++可以比以前更加简单。除了便利性相关的增强外，潜在的性能改善也是C++11和后续标准的驱动力之一。
我们通过填充一个vector并输出其内容进行练习。
我们通过在vector上使用算法、range和lambda，以便于寻找具有特定属性的元素，实现进一步的练习。

C++是一门古老但不断演进的语言。你几乎可以使用它来做任何事情，而且可以在很多地方找到它的身影。实际上，C++的发明者Bjarne Stroustrup将其描述为一切事物的隐形基础。有时，它可以深入到另外一门语言的库中，因为C++可以用于性能关键的路径中。它可以在小型的嵌入式系统中运行，也可以为视频游戏提供动力。你的浏览器可能正在使用它。C++几乎无处不在！

C++为何如此重要

迄今为止，C++已经存在了很长的时间，但是其变化也是非常大的，尤其是2011年之后。当时，推出了一个名为C++11的新标准，标志着一个频繁更新的时代正式开启。如果你从C++11就没有使用过C++，那么你有很多东西需要补习，这要从哪里开始呢？

该语言是需要编译的，面向特定的架构，如PC、大型机、嵌入式设备、定制硬件，或者你想到的其他东西。如果你需要代码在不同类型的机器上运行，那需要重新编译它。这有缺点也有优点。不同的配置会带来更多的维护工作，但编译到特定架构能够让你“因地制宜（down to the metal）”，从而获得速度方面的优势。

不管你的目标是哪种平台，均需要一个编译器。你还需要一个编辑器或集成开发环境（IDE）来编写C++代码。ISOCpp给出了一个资源清单，包括C++编译器。Gnu编译器集（Gnu compiler collection，gcc）、Clang和Visual Studio均有免费版本。你甚至可以使用Matt Godbolt的编译器探索器，在浏览器上尝试基于各种编译器的代码。编译器可能支持不同版本的C++，所以必须在编译器标记中说明你所需要的版本，例如g++的-std=c++23或Visual Studio的/std:c++latest。ISOCpp网站上有一个FAQ区域，概述了最近的一些变化，包括C++11和C++14，以及整体的概览。另外，还有多本关于C++最近版本的图书。

使用Vector快速了解C++11

如果你已经被落下了，那么大量的资源可能会让你不知所措。但是，我们可以通过一个小例子来理解一些基础知识。停下来，亲自动手试一试往往是最好的学习方法。因此，我们从简单基础的东西开始吧！

一个很有用（且简单）的起点是不太起眼的vector，它位于std命名空间的vector头文件中。CppReference提供了一个概述，告诉我们vector是一个序列容器，封装了动态大小的数组。因此，vector包含了一个连续的元素序列，我们可以根据需要调整vector的大小。vector本身是一个类模板，因此它需要一个类型，例如std::vector<int>。我们可以使用push_back将一个条目添加到vector的尾部。C++11引入了一个名为emplace_back的新方法，该方法取值来构造一个新的条目。对于int，代码看上去是一样的：

std::vector<int> numbers;
numbers.push_back(1);
numbers.emplace_back(1);

如果我们有比int更复杂的东西，那么就可能在emplace版本中获得性能方面的收益，因为emplace版本可以就地构造条目，从而避免对其进行复制。

C++11引入了r-value引用和移动语义（move semantics）来避免不必要的复制。潜在的性能改善是C++11的驱动力之一，后续的版本都是在此基础上进行的。为了解释什么是r-value引用，我们可以考虑前面样例中的push_back方法。它有两个重载形式，其中一个会接受一个常量引用，即const T&值，另外一个接受一个r-value引用，即T&&值。第二个版本会将元素移动到vector中，这可以避免复制临时对象。与之类似，emplace_back的签名通过r-value引用来获取参数，Args&&…，同样允许移动参数而无需复制。移动语义是一个很大的话题，我们只是接触到了它的皮毛。如果你想了解更多详情的话，Thomas Becker在2013年撰写了一篇很好的文章，介绍了它的细节。

我们创建一个vector并在其中放置几个条目，然后使用来自iostream头文件的std::cout展示其内容。我们使用流插入操作符<<来显示这些元素。我们基于vector的size编写一个for循环，并使用操作符[]来访问每个元素：

#include <iostream>
#include <vector>
void warm_up()
{
    std::vector<int> numbers;
    numbers.push_back(1);
    numbers.emplace_back(1);
    for(int i=0; i<numbers.size(); ++i)
    {
        std::cout << numbers[i] << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}
int main()
{
    warm_up();
}

该代码会显示两个1。这段代码可以在编译器探索器上找到。

类模板参数推断

让我们做一些更有意思的事情，并学习一下现代的C++。我们构建几个数字三角，会发现它们之间存在一个模式。数字三角的值是1，3，6，10……它们分别由1，1+2，1+2+3，1+2+3+4，……相加而成。如果我们这些斯诺克球架起来，就可以组成一个三角形，它也因此得名：

如果再增加一排，我们就会再增加六个斯诺克球。再加一排就会增加七个，以此类推。

为了得到数字1，2，3等，我们可以构建一个充满1的vector，然后将这些数字相加。我们可以直接创建一个vector，比如18个1，而不必再增加另一个循环。我们说明想要多少个元素，然后再指明它的值：

   std::vector numbers(18, 1);

注意我们不需要再声明<int>了。因为从C++17开始，类模板参数推断（CTAD）就已经实现了。编译器可以推断出我们指的是int，因为我们要求的值是1，这是一个int。如果我们需要显示vector，那么可以使用基于range的for循环。此时，我们不必使用基于vector索引的传统for循环，而是声明一个类型，甚至可以使用新的关键字auto，告诉编译器判断类型，然后是冒号和容器：

   for (auto i : numbers)
    {
        std::cout << i << ' ';
    }
    std::cout << '\n';

CTAD和基于range的for循环是C++11以来引入的一些便利特性。

Range

有了由“1”组成的vector，我们就可以包含numeric头文件，并使用部分的和来填充一个新的vector，如1，1+1，1+1+1……，这样就有了1，2，3……我们需要声明新vector的类型，因为这里要从一个空的vector开始，如果没有任何值可供使用，那么编译器将无法推断其类型。partial_sum需要开头和结尾的数字，最后我们需要使用back_inserter，这样目标vector会根据需要增长：

    #include <algorithm>
…
    std::vector numbers(18, 1);
    std::vector<int> sums;
    std::partial_sum(numbers.begin(), numbers.end(),
        std::back_inserter(sums));

这样我们就得到了1到18的数字，均包含边界值。我们已经完成了数字三角的部分工作，但是C++现在可以让我们的代码更加简洁。C++11引入了iota函数，也位于numeric头文件中，它能够用不断增加的值填充一个容器：

std::vector<int> sums(18);
std::iota(sums.begin(), sums.end(), 1);

实际上，C++23引入了一个range版本，它会为我们找到对应的begin和end：

  std::ranges::iota(sums, 1);

C++23还没有得到广泛的支持，所以可能需要等到你的编译器提供range版本。numeric和algorithm头文件中的很多算法都有两个版本，其中一个需要一对输入迭代器（即first and last），另一个则是range版本，只需要接受容器即可。ranges重载正在逐渐添加到标准C++中。ranges提供的功能远远超过我们这里避免声明两个迭代器的场景。我们可以过滤和转换输出，将这些东西连接在一起，并使用视图来避免复制数据。ranges支持惰性计算，所以视图的内容会在需要的时候才评估计算出来。Ivan Čukić的Functional Programming in C++一书在这方面提供了更多的细节（书中还包含更多的内容）。

我们需要做的最后一件事就是形成数字三角。查看vector的部分和：

   std::partial_sum(sums.begin(), sums.end(), sums.begin());

我们已经得到了想要的数字三角，即1，3，6，10，15……171。

我们注意到，有些算法有ranges版本，那我们可以尝试一个。前两个三角数字是1和3是奇数，然后是两个偶数6和10。这个模式是不是可持续的呢？如果我们对vector进行转换，用点号“.”来标记奇数，用星号“*”来标记偶数，就能看出最终结果。我们可以声明一个新的vector来存放转换结果。对于每个数字，仅需要一个字符，所以我们需要一个char类型的vector：

std::vector<char> odd_or_even.

我们可以编写一个简短的函数，它会获取一个int并返回对应的字符：

char flag_odd_or_even(int i)
{
    return i % 2 ? '.' : '*';
}

如果i % 2的值不为零，这就是一个奇数，所以我们返回.，否则，返回*。我们可以在来自algorithm头文件的transform函数中使用这个自己的函数。最初的版本需要一对输入迭代器（first和last）、一个输出迭代器和一个一元函数（unary function），该函数会接受一个输入，就像我们的flag_odd_or_even函数这样。C++20引入了一个ranges版本，它能够接受一个输入源，而不是一对迭代器，另外还需要一个输出迭代器和一元函数。这意味着我们可以通过如下方式来转换先前生成的和：

   std::vector<char> odd_or_even;
    std::ranges::transform(sums,
        std::back_inserter(odd_or_even),
        flag_odd_or_even);

输出将会如下所示：

. . * * . . * * . . * * . . * * . .

看上去，我们确实是不断地得到两个奇数，然后是两个偶数。Stack Exchange的数学网站阐述了出现这种现象的原因。

Lambdas

我们使用另一个新的C++特性对我们的代码做最后的改进。如果我们想要看一下实际的转换代码的话，那需要要转移到另外一个地方才能看到这个一元函数都做了些什么。

C++11引入了匿名函数或lambda表达式的特性。它们看起来与有名称的函数类似，将参数放在括号中，将函数主体放到花括号中，但是它们没有名字，不需要返回类型，并且有一个用[]表示的捕获组：

[](int i) { return i%2? '.':'*'; }

如果与有名称的函数进行对比，会看到两者的相似性：

char flag_odd_or_even(int i){ return i % 2 ? '.' : '*'; }

我们可以在捕获组中声明变量，这会给我们一个闭包。这些内容超出了本文的范围，但是在函数式编程中它们是非常强大和常见的。

如果我们将一个lambda分配给一个变量，

auto lambda = [](int i) { return i % 2 ? '.' : '*'; };

那么，我们就可以像调用有名称的函数那样调用它：

lambda(7);

这个特性允许我们使用lambda重写转换调用：

    std::ranges::transform(sums,
        std::back_inserter(odd_or_even),
        [](int i) { return i%2? '.':'*'; });

这样的话，我们就可以在一个地方看到转换函数，而不必再去查看其他的地方了。

总结

将所有的内容组合在一起，就形成了如下的代码：

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <numeric>
#include <vector>
int main()
{
    std::vector<int> sums(18);
    std::iota(sums.begin(), sums.end(), 1);
    std::partial_sum(sums.begin(), sums.end(), sums.begin());
    std::vector<char> odd_or_even;
    std::ranges::transform(sums,
        std::back_inserter(odd_or_even),
        [](int i) { return i%2? '.':'*'; });
    for (auto c : odd_or_even)
    {
        std::cout << c << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

我们使用了ranges、lambda和基于range的for循环，浏览了移动语义，并练习了对vector的使用。对于首次重回C++的人来说，这是一个不错的起点！

你可以在编译器探索器中尝试上述的代码。

关于作者

Frances Buontempo

Frances Buontempo有多年的C++经验，还有过使用Python和其他各种语言的经验。她曾发表过关于C++的演讲，并且是ACCU的Overload杂志的编辑。她有数学背景，为PragProg写了一本关于遗传算法和机器学习的书，并且正在为Manning写一本名为C++ Bookcamp的C++书，以帮助那些被现代C++落下的人迎头赶上。

查看英文原文：Relearning C++ After C++11