【转载】自动类型推导

【本文转自】：
作者: 苏丙榅
链接: https://subingwen.cn/cpp/autotype/
来源: 爱编程的大丙

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++98 标准中 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;

根据上述语法，来列举一些简单的例子：

auto x = 3.14;      // x 是浮点型
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

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：

限制1：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: a parameter cannot have a type that contains 'auto'
{
    std::cout << "a: " << a <<", b: " << b << std::endl;
}

限制2：不能用于类的非静态成员变量的初始化

class Test
{
    auto v1 = 0;                    // ERROR: 'v1': a non-static data member cannot have a type that contains 'auto'
    static auto v2 = 0;             // ERROR: 'Test::v2': a static data member with an in - class initializer must have non - volatile const integral type or be specified as 'inline'
    static const auto v3 = 10;      // ok
}

限制3：不能使用 auto 关键字定义数组

int func()
{
    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
}

限制4：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

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()
{
    std::map<int, std::string> person;
    std::map<int, std::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()
{
    std::map<int, std::string> person;
    // 代码简化1
    for (auto it = person.begin(); it != person.end(); ++it) {
        // do something
    }

    // 代码简化2
    for (auto it : person) {
        // do something
    }

    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

场景1：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>

class Test
{
public:
    std::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 std::string 类型

场景2：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。

class Test{...};
//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

//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();

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。

场景3：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>

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>

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

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

在程序的 m_it 这里出了问题，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>

template <class T>
class Container
{
public:
    void func(T& c)
    {
        for (m_it = c.begin(); m_it != c.end(); ++m_it)
        {
            std::cout << *m_it << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }
private:
    decltype(T().begin()) m_it;  // 使用 decltype 成功推导 T 的类型
};

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

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>
// 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
    std::cout << "z: " << z << std::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> //ERROR: error C2065: 't': undeclared identifier
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。

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>

template <typename T, typename U>
// 返回类型后置语法
auto add(T t, U u) -> decltype(t+u) //OK
{
    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
    std::cout << "z: " << z << std::endl;
    return 0;
}

posted @ 2021-11-27 21:13 Microm 阅读(101) 评论(0) 编辑收藏举报

刷新页面返回顶部

Microm