C++11——自动类型推导

转载来自：https://subingwen.cn/cpp/autotype/

在 C++11 中增加了很多新的特性，比如可以使用 auto 自动推导变量的类型，还能够结合 decltype 来表示函数的返回值。使用新的特性可以让我们写出更加简洁，更加现代的代码。

1. auto
在 C++11 之前 auto 和 static 是对应的，表示变量是自动存储的，但是非 static 的局部变量默认都是自动存储的，因此这个关键字变得非常鸡肋，在 C++11 中他们赋予了新的含义，使用这个关键字能够像别的语言一样自动推导出变量的实际类型。

1.1 推导规则
C++11 中 auto 并不代表一种实际的数据类型，只是一个类型声明的 “占位符”，auto 并不是万能的在任意场景下都能够推导出变量的实际类型，使用auto声明的变量必须要进行初始化，以让编译器推导出它的实际类型，在编译时将auto占位符替换为真正的类型。使用语法如下：

auto 变量名 = 变量值;

auto x = 3.14;      // x 是浮点型 double
auto y = 520;       // y 是整形 int
auto z = 'a';       // z 是字符型 char
auto nb;            // error，变量必须要初始化
auto double nbl;    // 语法错误, 不能修改数据类型   

不仅如此，auto 还可以和指针、引用结合起来使用也可以带上 const、volatile 限定符，在不同的场景下有对应的推导规则，规则内容如下：

当变量不是指针或者引用类型时，推导的结果中不会保留 const、volatile 关键字
当变量是指针或者引用类型时，推导的结果中会保留 const、volatile 关键字

int temp = 110;
auto *a = &temp;    
auto b = &temp;        
auto &c = temp;        
auto d = temp;    

 这边可以看到

a 是 int*

b 是int*

c 是int&

d 是int

    int tmp = 250;
    const auto a1 = tmp;
    auto a2 = a1;
    const auto& a3 = tmp;
    auto& a4 = a3;

 可以看到

a1 是 const int

a2却看到const没有了

a3是const int&

a4是const int&

1.2 auto的限制

auto 关键字并不是万能的，在以下这些场景中是不能完成类型推导的：

不能作为函数参数使用。因为只有在函数调用的时候才会给函数参数传递实参，auto 要求必须要给修饰的变量赋值，因此二者矛盾。

int func(auto a, auto b) // error
{
    cout << "a: " << a << ", b: " << b << endl;
}

不能用于类的非静态成员变量的初始化

class Test
{
    auto v1 = 0; // error
    static auto v2 = 0; // error,类的静态非常量成员不允许在类内部直接初始化
    static const auto v3 = 10; // ok
}

不能使用 auto 关键字定义数组

        int array[] = { 1,2,3,4,5 }; // 定义数组
        auto t1 = array; // ok, t1被推导为 int* 类型
        auto t2[] = array; // error, auto无法定义数组
        auto t3[] = { 1,2,3,4,5 }; // error, auto无法定义数组

无法使用 auto 推导出模板参数

template <typename T>
    struct Test {}

    int func()
    {
        Test<double> t;
        Test<auto> t1 = t; // error, 无法推导出模板类型
        return 0;
    }

1.3 auto 的应用

了解了 auto 的限制之后，我们就可以避开这些场景快乐的编程了，下面列举几个比较常用的场景：

用于STL的容器遍历。

在 C++11 之前，定义了一个 stl 容器之后，遍历的时候常常会写出这样的代码：

#include <map>
int main()
{
    map<int, string> person;
    map<int, string>::iterator it = person.begin();
    for (; it != person.end(); ++it)
    {
        // do something
    }
    return 0;
}

可以看到在定义迭代器变量 it 的时候代码是很长的，写起来就很麻烦，使用了 auto 之后，就变得清爽了不少：

#include <map>
int main()
{
    map<int, string> person;
    // 代码简化
    for (auto it = person.begin(); it != person.end(); ++it)
    {
        // do something
    }
    return 0;
}

用于泛型编程，在使用模板的时候，很多情况下我们不知道变量应该定义为什么类型，比如下面的代码：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class T1
{
public:
    static int get()
    {
        return 10;
    }
};

class T2
{
public:
    static string get()
    {
        return "hello, world";
    }
};

template <class A>
void func(void)
{
    auto val = A::get();
    cout << "val: " << val << endl;
}

int main()
{
    func<T1>();
    func<T2>();
    return 0;
}

在这个例子中定义了泛型函数 func，在函数中调用了类 A 的静态方法 get () ，这个函数的返回值是不能确定的，如果不使用 auto，就需要再定义一个模板参数，并且在外部调用时手动指定 get 的返回值类型，具体代码如下：

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class T1
{
public:
    static int get()
    {
        return 0;
    }
};

class T2
{
public:
    static string get()
    {
        return "hello, world";
    }
};

template <class A, typename B> // 添加了模板参数 B
void func(void)
{
    B val = A::get();
    cout << "val: " << val << endl;
}

int main()
{
    func<T1, int>(); // 手动指定返回值类型 -> int
    func<T2, string>(); // 手动指定返回值类型 -> string
    return 0;
}

2. decltype
在某些情况下，不需要或者不能定义变量，但是希望得到某种类型，这时候就可以使用 C++11 提供的 decltype 关键字了，它的作用是在编译器编译的时候推导出一个表达式的类型，语法格式如下：

decltype (表达式)
decltype 是 “declare type” 的缩写，意思是 “声明类型”。decltype 的推导是在编译期完成的，它只是用于表达式类型的推导，并不会计算表达式的值。来看一组简单的例子：

int a = 10;
decltype(a) b = 99; // b -> int
decltype(a+3.14) c = 52.13; // c -> double
decltype(a+b*c) d = 520.1314; // d -> double

可以看到 decltype 推导的表达式可简单可复杂，在这一点上 auto 是做不到的，auto 只能推导已初始化的变量类型。

2.1 推导规则
通过上面的例子我们初步感受了一下 decltype 的用法，但不要认为 decltype 就这么简单，在它简单的背后隐藏着很多的细节，下面分三个场景依次讨论一下：

表达式为普通变量或者普通表达式或者类表达式，在这种情况下，使用 decltype 推导出的类型和表达式的类型是一致的。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Test
{
public:
    string text;
    static const int value = 110;
};

int main()
{
    int x = 99;
    const int& y = x;
    decltype(x) a = x;
    decltype(y) b = x;
    decltype(Test::value) c = 0;

    Test t;
    decltype(t.text) d = "hello, world";

    return 0;
}

变量 a 被推导为 int 类型
变量 b 被推导为 const int & 类型
变量 c 被推导为 const int 类型
变量 d 被推导为 string 类型
表达式是函数调用，使用 decltype 推导出的类型和函数返回值一致。

#include <iostream>
#include <string>
using namespace std;

class Test
{
public:
    string text;
    static const int value = 110;
};
//函数声明
int func_int(); // 返回值为 int
int& func_int_r(); // 返回值为 int&
int&& func_int_rr(); // 返回值为 int&&
const int func_cint(); // 返回值为 const int
const int& func_cint_r(); // 返回值为 const int&
const int&& func_cint_rr(); // 返回值为 const int&&
const Test func_ctest(); // 返回值为 const Test

int main()
{
    //decltype类型推导
    int n = 100;
    decltype(func_int()) a = 0;
    decltype(func_int_r()) b = n;
    decltype(func_int_rr()) c = 0;
    decltype(func_cint()) d = 0;
    decltype(func_cint_r()) e = n;
    decltype(func_cint_rr()) f = 0;
    decltype(func_ctest()) g = Test();

    return 0;
}

 变量 a 被推导为 int 类型

变量 b 被推导为 int& 类型
变量 c 被推导为 int&& 类型
变量 d 被推导为 int 类型
变量 e 被推导为 const int & 类型
变量 f 被推导为 const int && 类型
变量 g 被推导为 const Test 类型

函数 func_cint () 返回的是一个纯右值（在表达式执行结束后不再存在的数据，也就是临时性的数据），

对于纯右值而言，只有类类型可以携带const、volatile限定符，除此之外需要忽略掉这两个限定符，因此推导出的变量 d 的类型为 int 而不是 const int。

表达式是一个左值，或者被括号 ( ) 包围，使用 decltype 推导出的是表达式类型的引用（如果有 const、volatile 限定符不能忽略）。

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

class Test
{
public:
    int num;
};

int main() {
    const Test obj;
    //带有括号的表达式
    decltype(obj.num) a = 0;
    decltype((obj.num)) b = a;
    //加法表达式
    int n = 0, m = 0;
    decltype(n + m) c = 0;
    decltype(n = n + m) d = n;
    return 0;
}

obj.num 为类的成员访问表达式，符合场景 1，因此 a 的类型为 int
obj.num 带有括号，符合场景 3，因此 b 的类型为 const int&。
n+m 得到一个右值，符合场景 1，因此 c 的类型为 int
n=n+m 得到一个左值 n，符合场景 3，因此 d 的类型为 int&

2.2 decltype 的应用
关于 decltype 的应用多出现在泛型编程中。比如我们编写一个类模板，在里边添加遍历容器的函数，操作如下：

#include <list>
using namespace std;

template <class T>
class Container
{
public:
    void func(T& c)
    {
        for (m_it = c.begin(); m_it != c.end(); ++m_it)
        {
            cout << *m_it << " ";
        }
        cout << endl;
    }
private:
    ? ? ? m_it; // 这里不能确定迭代器类型
};

int main()
{
    const list<int> lst;
    Container<const list<int>> obj;
    obj.func(lst);
    return 0;
}

在程序的第 17 行出了问题，关于迭代器变量一共有两种类型：只读（T::const_iterator）和读写（T::iterator），有了 decltype 就可以完美的解决这个问题了，当 T 是一个 非 const 容器得到一个 T::iterator，当 T 是一个 const 容器时就会得到一个 T::const_iterator。

#include <list>
#include <iostream>
using namespace std;

template <class T>
class Container
{
public:
    void func(T& c)
    {
        for (m_it = c.begin(); m_it != c.end(); ++m_it)
        {
            cout << *m_it << " ";
        }
        cout << endl;
    }
private:
    decltype(T().begin()) m_it; // 这里不能确定迭代器类型
};

int main()
{
    const list<int> lst{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
    Container<const list<int>> obj;
    obj.func(lst);
    return 0;
}#include <list>
#include <iostream>
using namespace std;

template <class T>
class Container
{
public:
    void func(T& c)
    {
        for (m_it = c.begin(); m_it != c.end(); ++m_it)
        {
            cout << *m_it << " ";
        }
        cout << endl;
    }
private:
    decltype(T().begin()) m_it; // 这里不能确定迭代器类型
};

int main()
{
    const list<int> lst{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
    Container<const list<int>> obj;
    obj.func(lst);
    return 0;
}

decltype(T().begin()) 这种写法在 vs2017/vs2019 下测试可用完美运行。

3. 返回类型后置
在泛型编程中，可能需要通过参数的运算来得到返回值的类型，比如下面这个场景：

#include <iostream>
using namespace std;
// R->返回值类型, T->参数1类型, U->参数2类型
template <typename R, typename T, typename U>
R add(T t, U u)
{
    return t + u;
}

int main()
{
    int x = 520;
    double y = 13.14;
    // auto z = add<decltype(x + y), int, double>(x, y);
    auto z = add<decltype(x + y)>(x, y); // 简化之后的写法
    cout << "z: " << z << endl;
    return 0;
}

关于返回值，从上面的代码可以推断出和表达式 t+u 的结果类型是一样的，因此可以通过通过 decltype 进行推导，关于模板函数的参数 t 和 u 可以通过实参自动推导出来，因此在程序中就也可以不写。虽然通过上述方式问题被解决了，但是解决方案有点过于理想化，因为对于调用者来说，是不知道函数内部执行了什么样的处理动作的。

因此如果要想解决这个问题就得直接在 add 函数身上做文章，先来看第一种写法：

template <typename T, typename U>
decltype(t + u) add(T t, U u)
{
    return t + u;
}

当我们在编译器中将这几行代码改出来后就直接报错了，因此 decltype 中的 t 和 u 都是函数参数，直接这样写相当于变量还没有定义就直接用上了，这时候变量还不存在，有点心急了。

在C++11中增加了返回类型后置语法，说明白一点就是将decltype和auto结合起来完成返回类型的推导。其语法格式如下:

// 符号 -> 后边跟随的是函数返回值的类型
auto func(参数1, 参数2, ...) -> decltype(参数表达式)

通过对上述返回类型后置语法代码的分析，得到结论：auto 会追踪 decltype() 推导出的类型，因此上边的 add() 函数可以做如下的修改：

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T, typename U>
// 返回类型后置语法
auto add(T t, U u) -> decltype(t + u)
{
    return t + u;
}

int main()
{
    int x = 520;
    double y = 13.14;
    // auto z = add<int, double>(x, y);
    auto z = add(x, y); // 简化之后的写法
    cout << "z: " << z << endl;
    return 0;
}

为了进一步说明这个语法，我们再看一个例子：

#include <iostream>
using namespace std;

int& test(int& i)
{
    return i;
}

double test(double& d)
{
    d = d + 100;
    return d;
}

template <typename T>
// 返回类型后置语法
auto myFunc(T& t) -> decltype(test(t))
{
    return test(t);
}

int main()
{
    int x = 520;
    double y = 13.14;
    // auto z = myFunc<int>(x);
    auto z = myFunc(x); // 简化之后的写法
    cout << "z: " << z << endl;

    // auto z = myFunc<double>(y);
    auto z1 = myFunc(y); // 简化之后的写法
    cout << "z1: " << z1 << endl;
    return 0;
}

在这个例子中，通过 decltype 结合返回值后置语法很容易推导出来 test(t) 函数可能出现的返回值类型，并将其作用到了函数 myFunc() 上。