C++17中那些值得关注的特性

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2017-07-31 10:31 by 副主编 jihong10102006 评论(0) 有8992人浏览

c++

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引用

作者：祁宇，《深入应用C++11》作者，C++开源社区purecpp.org创始人，致力于C++11/14的应用、研究和推广。乐于研究和分享技术，爱好C++，爱好开源。
本文为《程序员》原创文章，未经允许不得转载，更多精彩文章请订阅《程序员》

C++17标准在2017上半年已经讨论确定，正在形成ISO标准文档，今年晚些时候会正式发布。本文将介绍最新标准中值得开发者关注的新特新和基本用法。

总的来说C++17相比C++11的新特性来说新特性不算多，做了一些小幅改进。C++17增加了数十项新特性，值得关注的特性大概有下面这些：

constexpr if
constexpr lambda
fold expression
void_t
structured binding
std::apply, std::invoke
string_view
parallel STL
inline variable

剩下的有一些来自于boost库，比如variant,any、optional和filesystem等特性，string_view其实在boost里也有。还有一些是语法糖，比如if init、deduction guide、guaranteed copy Elision、template、nested namespace、single param static_assert等特性。我接下来会介绍C++17主要的一些特性，介绍它们的基本用法和作用，让读者对C++17的新特性有一个基本的了解。

fold expression

C++11增加了一个新特性可变模版参数（variadic template）,它可以接受任意个模版参数在参数包中，参数包是三个点…，它不能直接展开，需要通过一些特殊的方法才能展开，导致在使用的时候有点难度。现在C++17解决了这个问题，让参数包的展开变得容易了，Fold expression就是方便展开参数包的。

fold expression的语义
fold expression有4种语义：

unary right fold (pack op …)
unary left fold (… op pack)
binary right fold (pack op … op init)
binary left fold (init op … op pack)

其中pack代表变参，比如args，op代表操作符，fold expression支持32种操作符：

引用

+ - * / % ^ & | = < > << >> += -= *= /= %= ^= &= |= <<= >>= == != <= >= && || , .* ->*

unary right fold的含义

fold (E op …) 意味着 E1 op (… op (EN-1 op EN)).

顾名思义，从右边开始fold，看它是left fold还是right fold我们可以根据参数包…所在的位置来判断，当参数包…在操作符右边的时候就是right fold，在左边的时候就是left fold。我们来看一个具体的例子：

template<typename... Args>
auto add_val(Args&&... args) {
    return (args +  ...);
}

auto t = add_val(1,2,3,4); //10

right fold的过程是这样的：(1+(2+(3+4)))，从右边开始fold。

unary left fold的含义

fold (… op E) 意味着 ((E1 op E2) op …) op EN。

对于+这种满足交换律的操作符来说left fold和right fold是一样的，比如上面的例子你也可以写成left fold。

template<typename... Args>
auto add_val(Args&&... args) {
    return (... + args);
}

auto t = add_val(1,2,3,4); //10

对于不满足交换律的操作符来说就要注意了，比如减法。

template<typename... Args>
auto sub_val_right(Args&&... args) {
    return (args - ...);
}


template<typename... Args>
auto sub_val_left(Args&&... args) {
    return (... - args);
}

auto t = sub_val_right(2,3,4); //(2-(3-4)) = 3
auto t1 = sub_val_left(2,3,4); //((2-3)-4) = -5

这次right fold和left fold的结果就不一样。

binary fold的含义

Binary right fold (E op … op I) 意味着 E1 op (… op (EN-1 op (EN op I)))。

Binary left fold (I op … op E) 意味着 (((I op E1) op E2) op …) op E2。

其中E代表变参，比如args，op代表操作符，I代表一个初始变量。

二元fold的语义和一元fold的语义是相同的，看一个二元操作符的例子：

template<typename... Args>
auto sub_one_left(Args&&... args) {
    return (1 - ... - args);
}

template<typename... Args>
auto sub_one_right(Args&&... args) {
    return (args - ... - 1);
}

auto t = sub_one_left（2，3，4);// (((1-2)-3)-4) = -8
auto t1 = sub_one_right（2，3，4);//(2-(3-(4-1))) = 2

相信通过这个例子大家应该对C++17的fold expression有了基本的了解。

comma fold

在C++17之前，我们经常使用逗号表达式和std::initializer_list来将变参一个个传入一个函数。比如像下面这个例子：

template<typename T>
void print_arg(T t)
{
    std::cout << t << std::endl;
}

template<typename... Args>
void print2(Args... args)
{
    //int a[] = { (printarg(args), 0)... };
    std::initializer_list<int>{(print_arg(args), 0)...};
}

这种写法比较繁琐，用fold expression就会变得很简单了。

template<typename... Args>
void print3(Args... args)
{
    (print_arg(args), ...);
}

这是right fold，你也可以写成left fold，对于comma来说两种写法是一样的，参数都是从左至右传入print_arg函数。

template<typename... Args>
void print3(Args... args)
{
    (..., print_arg(args));
}

你也可以通过binary fold这样写：

template<typename ...Args>
void printer(Args&&... args) {
    (std::cout << ... << args) << '\n';
}

也许你会觉得能写成这样：

template<typename ...Args>
void printer(Args&&... args) {
    (std::cout << args << ...) << '\n';
}

但这样写是不合法的，根据binary fold的语法，参数包…必须在操作符中间，因此上面的这种写法不符合语法要求。

借助comma fold我们可以简化代码，假如我们希望实现tuple的for_each算法，像这样：

for_each(std::make_tuple(2.5, 10, 'a'),[](auto e) { std::cout << e<< '\n'; });

这个for_each将会遍历tuple的元素并打印出来。在C++17之前我们如果要实现这个算法的话，需要借助逗号表达式和std::initializer_list来实现，类似于这样：

template <typename... Args, typename Func, std::size_t... Idx>
void for_each(const std::tuple& t, Func&& f, std::index_sequence<Idx...>) {
    (void)std::initializer_list<int> { (f(std::get<Idx>(t)), void(), 0)...};
}

这样写比较繁琐不直观，现在借助fold expression我们可以简化代码了。

template <typename... Args, typename Func, std::size_t... Idx>
void for_each(const std::tuple<Args...>& t, Func&& f, std::index_sequence<Idx...>) {
    (f(std::get<Idx>(t)), ...);
}

借助coma fold我们可以写很简洁的代码了。

constexpr if

constexpr标记一个表达式或一个函数的返回结果是编译期常量，它保证函数会在编译期执行。相比模版来说，实现编译期循环或递归，C++17中的constexpr if会让代码变得更简洁易懂。比如实现一个编译期整数加法：

template<int N>
constexpr int sum()
{
    return N;
}

template <int N, int N2, int... Ns>
constexpr int sum()
{
    return N + sum<N2, Ns...>();
}

C++17之前你可能需要像上面这样写，但是现在你可以写更简洁的代码了。

template <int N, int... Ns>
constexpr auto sum17()
{
    if constexpr (sizeof...(Ns) == 0)
        return N;
    else
        return N + sum17<Ns...>();
}

当然，你也可以用C++17的fold expression：

template<typename ...Args>
constexpr int sum(Args... args) {
    return (0 + ... + args);
}

constexpr还可以用来消除enable_if了，对于讨厌写一长串enable_if的人来说会非常开心。比如我需要根据类型来选择函数的时候：

template<typename T>
std::enable_if_t<std::is_integral<T>::value, std::string> to_str(T t)
{
    return std::to_string(t);
}

template<typename T>
std::enable_if_t<!std::is_integral<T>::value, std::string> to_str(T t)
{
    return t;
}

经常不得不分开几个函数来写，还需要写长长的enable_if，比较繁琐，通过if constexpr可以消除enable_if了。

template<typename T>
auto to_str17(T t)
{
    if constexpr(std::is_integral<T>::value)
        return std::to_string(t);
    else
        return t;
}

constexpr if让C++的模版具备if-else if-else功能了，是不是很酷，C++程序员的好日子来了。

不过需要注意的是下面这种写法是有问题的。

template<typename T>
auto to_str17(T t)
{
    if constexpr(std::is_integral<T>::value)
        return std::to_string(t);

        return t;
}

这个代码把else去掉了，当输入如果是非数字类型时代码可以编译过，以为if constexpr在模版实例化的时候会丢弃不满足条件的部分，因此函数体中的前两行代码将失效，只有最后一句有效。当输入的为数字的时候就会产生编译错误了，因为if constexpr满足条件了，这时候就会有两个return了，就会导致编译错误。

constexpr if还可以用来替换#ifdef宏，看下面的例子

enum class OS { Linux, Mac, Windows };

//Translate the macros to C++ at a single point in the application
#ifdef __linux__
constexpr OS the_os = OS::Linux;
#elif __APPLE__
constexpr OS the_os = OS::Mac;
#elif __WIN32
constexpr OS the_os = OS::Windows;
#endif

void do_something() {
     //do something general

     if constexpr (the_os == OS::Linux) {
         //do something Linuxy
     }
     else if constexpr (the_os == OS::Mac) {
         //do something Appley
     }
     else if constexpr (the_os == OS::Windows) {
         //do something Windowsy
     }

     //do something general
}
//备注：这个例子摘自https://blog.tartanllama.xyz/c++/2016/12/12/if-constexpr/

代码变得更清爽了，再也不需要像以前一样写#ifdef那样难看的代码块了。

constexpr lambda

constexpr lambda其实很简单，它的意思就是可以在constexpr 函数中用lambda表达式了，这在C++17之前是不允许的。这样使用constexpr函数和普通函数没多大区别了，使用起来非常舒服。下面是constexpr lambda的例子：

template <typename I>
constexpr auto func(I i) {
  //use a lambda in constexpr context
  return [i](auto j){ return i + j; }; 
}

constexpr if和constexpr lambda是C++17提供的非常棒的特性，enjoy it.

string_view

string_view的基本用法

C++17中的string_view是一个char数据的视图或者说引用，它并不拥有该数据，是为了避免拷贝，因此使用string_view可以用来做性能优化。你应该用string_view来代替const char和const string了。string_view的方法和string类似，用法很简单：

const char* data = "test";
std::string_view str1(data, 4);
std::cout<<str1.length()<<'\n'; //4
if(data==str1)
    std::cout<<"ok"<<'\n';

const std::string str2 = "test";
std::string_view str3(str2, str2.size());

构造string_view的时候用char*和长度来构造，这个长度可以自由确定，它表示string_view希望引用的字符串的长度。因为它只是引用其他字符串，所以它不会分配内存，不会像string那样容易产生临时变量。我们通过一个测试程序来看看string_view如何来帮我们优化性能的。

using namespace std::literals;

constexpr auto s = "it is a test"sv;
auto str = "it is a test"s;

constexpr int LEN = 1000000;
boost::timer t;
for (int i = 0; i < LEN; ++i) {
    constexpr auto s1 = s.substr(3);
}
std::cout<<t.elapsed()<<'\n';
t.restart();
for (int i = 0; i < LEN; ++i) {
    auto s2 = str.substr(3);
}
std::cout<<t.elapsed()<<'\n';

//output
0.004197
0.231505

我们可以通过字面量””sv来初始化string_view。string_view的substr和string的substr相比，快了50多倍，根本原因是它不会分配内存。

string_view的生命周期

由于string_vew并不拥有锁引用的字符串，所以它也不会去关注被引用字符串的生命周期，用户在使用的时候需要注意，不要将一个临时变量给一个string_view，那样会导致string_view引用的内容也失效。

std::string_view str_v;
{
    std::string temp = "test";
    str_v = {temp};
}

这样的代码是有问题的，因为出了作用域之后，string_view引用的内容已经失效了。

总结

本文介绍了C++17的fold expression、constexpr if、constexpr lambda和string_view。fold expression为了简化可变模板参数的展开，让可以模板参数的使用变得更简单直观；constexpr if让模板具备if-else功能，非常强大。它也避免了写冗长的enable_if代码，让代码变得简洁易懂了；string_view则是用来做性能优化的，应该用它来代替const char*和const string。

这些特性对之前的C++14和C++11做了改进和增强，非常酷，欢迎订阅《程序员》，后续系列文章会接着介绍其他C++17中值得关注的新特性。

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