@levinzhang
2023-06-24T10:06:33.000000Z
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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。
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!
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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