MordernC++之 auto 和 decltype
在C++11标准中，auto作为关键字被引入，可以用来自动推导变量类型，auto可以用于定义变量，函数返回值，lambda表达式等，在定义变量时可以使用auto来代替具体类型，编译器根据变量初始化表达式推导出变量的类型。同时还引入了decltype关键字，用于推导表达式的类型,decltype与auto的不同之处在于,decltype关键字推导出的类型和表达式的类型完全一致，包括const与引用等信息。decltype关键字可以用于推导变量、表达式和函数返回值的类型。在推导变量类型时，可以使用decltype关键字加上变量名或表达式作为参数，编译器会根据变量或表达式的类型推导出变量的类型。
模板类型推导
C++中的auto是建立在模板类型推导的基础之上，如下所示一个函数模板：
template<typename T>
void func(ParemType param);
其调用方式如下：
func(expr);
编译器在编译的时候会根据调用的表达式进行推导，主要推导两个部分：第一部分是T的类型，第二个是ParamType的类型。一般情况下，这两个类型是不同的，因为ParamType不仅包含了T，还包括了const和引用等修饰符，一个简单的例子如下：
template<typename T>
void func(const T& param);
然后进行如下的函数调用：
int a = 0
func(a);
上述的调用中，T会被推导成为int,而ParamType被推导成为const int&,这两个类型是不一样的。在推导的时候，我们期望推导出来的T的类型和传入的参数的类型是一致的，即a是int型，推导出来的T就为int，这在大部分情况下是成立的，但是实际上T的类型推导不仅仅取决于expr的类型，还取决于ParamType的类型。可以总结为以下三种情形：
- ParamType 是一个指针或者引用（&），但是不是通用引用（&&）
- ParamType是一个通用引用（&&）
- ParamType既不是指针，也不是引用（&）或者通用引用（&&）
1. ParamType是一个指针或者引用（&），但是不是通用引用（&&）
如果ParamType是一个指针或者引用（&），但是不是通用引用（&&），这种情形如以下的模板：
template<typename T>
void func(T& param);
则推导的规则是：
- 如果expr是一个引用，则忽略其引用部分，然后用剩下的部分来推导T，然后再推导得到ParamType
用以下的一些变量来进行测试：
int a = 0; // a为int
const int b = a; // b为const int
const int& c = b; // c为const int&
func(a); // T推导为int,ParamType推导为int&
func(b); // T推导为const int, ParamType推导为const int&
func(c); // T推导为const int, ParamType推导为const int&
可以看到b和c的推导结果是一样的，c的引用被忽略了，这是因为传入函数的参数已经是引用形式，因此c在传入时真正引用的是b，因此忽略了c的引用，因为引用的引用还是引用。b和c的T被推导为const int, ParamType推导为const int&，因此当传入一个const对象给一个引用类型的参数时，const属性被保留，因此是安全的。
2. ParamType是一个通用引用（&&）
通用引用即右值引用，对应的函数模板如下：
template<typename T>
void func(T&& param);
对于通用引用的推导规则为：
- 如果expr是左值，则T和ParamType都会被推导为左值引用，即使ParamType对应的是右值引用。
- 如果expr是右值，则按照情形1推导。
具体的测试如下：
int a = 0; // a为int
const int b = a; // b为const int
const int& c = b; // c为const int&
func(a); // a为左值，T推导为int&,ParamType推导为int&
func(b); // b为左值，T推导为const int&, ParamType推导为const int&
func(c); // c为左值，T推导为const int&, ParamType推导为const int&
func(5); // 5为右值，T推导为int,ParamType推导为int&&
关于通用引用与右值引用的内容会在其他文章进行详细介绍。
3. ParamType既不是指针，也不是引用（&）或者通用引用（&&）
如果一个参数既不是指针，也不是引用或者通用引用，则是通过传值进行处理，对应的函数模板为：
template<typename T>
void func(T param);
这种情形无论传入的param是什么，都会进行拷贝,由于是拷贝的新对象，因此会影响推导的规则，具体的如下：
- 如果expr是引用，则忽略引用。如果是const，则再忽略const，如果是volatile，也会忽略volatile。
具体的测试如下：
int a = 0; // a为int
const int b = a; // b为const int
const int& c = b; // c为const int&
func(a); // T推导为int, ParamType推导为int
func(b); // T推导为int, ParamType推导为int
func(c); // T推导为int, ParamType推导为int
可以看到即使b和c的const属性，c的引用属性都被忽略了。这是因为，在函数中按值进行传参，那么param是一个独立且完整的对象，原始的b和c等变量const不可修改，并不代表param对象不可修改，volatile属性被忽略也是一样的原因。但是有一种情况需要特别注意，那就是传入的参数是const指针类型，考虑以下的调用示例：
const char* const ptr = "Hello World";
func(str); // T被推导为const char*,ParamType被推导为const char*
这种情形下T和paramType都被推导成为了const char *，具体的原因是：这里解引用符号右边的const表示ptr指针本身是一个const，无法修改其指向其他地址，解引用符号左边的const表示指针ptr指向的对象是const，无法通过ptr对其指向的对象进行修改。当ptr当作实参传递给函数的时候，首先会拷贝一个ptr,叫做copyPtr，copyPtr的类型是const char*,由于是新的指针，因此指针本身的const属性被忽略了，但是其指向的对象仍然是const无法修改。因此最终推导的结果T为const char*。
顶层const与底层const
在C++中，const可以分为底层const和顶层const两种类型,底层const指的是const修饰的变量或指针所指向的对象是常量，即该对象的值不能被修改。底层const可以用于任何类型，包括基本数据类型和自定义类型。顶层const指的是变量或指针本身是常量，即该变量或指针不能被赋值。顶层const只能用于指针类型.对于指针类型，底层const和顶层const可以同时存在,如上述ptr指针。
* 数组实参
在C++中，有些情形下数组和指针是完全等价的，常见的是在上下文数组会退化为指向第一个元素的指针，如：
const char str[] = "Hello World";
const char* ptrToStr = str;
这里通过str来初始化ptrToStr指针类型，其中str的类型为const char[12],ptrToStr的类型是const char*,这两种是不一样的类型，但是由于数组会退化成为指针，因此可以进行上述的赋值操作。这种退化会给模板推导带来影响。如非引用模板
template<typename T>
void func(T param);
进行如下调用
func(name); // T被推导成为const char*
上述的调用过程中，当数组传入的时候会被当作指针来处理，最终会推导成为一个指针类型，也就是T被推导成为了const char*，即使str本身是一个数组。那么对于数组来说，如何才能真正的推导为正确的数组类型呢，答案是采用引用参数模板：
template<typename T>
void func(T& param);
进行如下调用
func(name); // T被推导成为const char[12]
当模板参数为引用时，T被正确的推导成为了数组const char[12]，还包括了数组的大小等信息，paramType被推导成为了const char(&)[12].通过以下的模板我们可以从模板函数中推导出数组的大小：
template<typename T,std::size_t N>
constexpr std:size_t arraySize(T (&)[N]) noexcept
{
return N;
}
* 函数实参
在C++中除了数组会退化为指针，函数类型也会退化为一个函数指针。具体的情形如下：
void function(int,float);
template<typename T>
void func1(T param); // 传值
template<typename T>
void func2(T& param); // 引用
func1(function); // T被推导为指向函数的指针，类型为void(*)(int,float)
func2(function); // T被推导为指向函数的引用，类型为void(&)(int,float)
auto类型推导
上述关于模板类型推导的内容，已经涵盖了大部分auto类型推导的内容。auto类型推导与模板类型推导有一个直接的映射关系。如下所示，为一个标准的函数模板：
// 定义
template<typename T>
void func(ParamType param);
// 调用
func(expr);
编译器通过函数调用的expr来对T和ParamType进行推导，那么映射到auto时，当一个变量使用auto进行声明的时候，auto扮演了模板的角色，变量的类型说明符扮演了ParamType的角色，考虑以下的代码：
auto a = 0; // a的类型说明符是auto
const auto b = a; // b的类型说明符是const auto
const auto& c = b; // c的类型说明符是const auto&
编译器在进行上述推导时，看起来像是每个声明都对应一个模板，然后用初始的赋值作为表达式进行推导：
// 用于推导a的模板
template<typename T>
void func_a(T param);
// 对a进行推导
func_a(0);
// 用于推导b的模板
template<typename T>
void func_b(const T param);
// 对a进行推导
func_b(a);
// 用于推导c的模板
template<typename T>
void func_c(const T& param);
// 对a进行推导
func_c(b);
从上述的映射可以看出，在使用auto作为类型说明符的变量声明中，类型说明符代替了ParamType，auto可以看到模板类型T，则上述模板推导的规则仍然可以适用于auto类型推导。同时，数组和函数会退化为指针同样也适用于auto类型推导。
const char strs[] = "Hello World";
auto str1 = strs; // auto被推导为const char*
auto& str2 = strs; // auto被推导为const char[12],str2类型为const char(&)[12]
void function(int,float);
auto func1 = function; //auto被推导为void(*)(int,float)
auto& func2 = function; //auto 被推导为void()(int,float),func2为void(&)(int,float)
但是并不是所有的情况下，auto和模板推导的结果都是一样，一个例外就是auto对统一初始化的推导。
C++ 11支持统一初始化(uniform initialization):
int a0 = 5; // C++98
int a1(5); // C++98
int a2 = {5}; //C++11统一初始化
int a3{5}; //C++11统一初始化
上述的变量赋值之后结果都为5，类型为int。但是当把类型说明符使用auto代替时，就会出现不同的结果：
auto a0 = 5; // auto被推导为int,a0值为5
auto a1(5); // auto 被推导为int,a1值为5
auto a2 = {5}; // auto被推导为 std::initializer_list<int>，a2的值为{27}
auto a3{5}; // auto被推导为 std::initializer_list<int>，a3的值为{27}
但是如果花括号内包含的是不同类型的变量，则不符合std::initializer_list的要求，那么编译器便无法进行推导。
auto a4 = {1,2, 3.0}; //错误！无法进行auto推导
因此，auto类型推导和模板类型推导的真正区别在于：auto类型推导会对花括号推导出std::initializer_list，而模板类型推导无法对花括号进行推导。
* 优先考虑使用auto而不是显示类型声明
在使用现代c++编程时，优先采用auto来进行变量类型的推导，一些局部未初始化变量可能会导致程序未知的行为，使用auto定义的变量必须进行初始化操作，因此可以规避风险。同时可以避免一些移植性和效率性的问题，可以更加方便的重构，同时还能少打一些字。在使用的同时，需要对于auto所推导的类型了解清楚，避免出现上述推导类型与期望类型不匹配的问题。
decltype类型推导
decltype和auto的作用相似，通过传入一个名字或者表达式即可以得到该名字或者表达式的类型，通常decltype可以得到比auto更为精确的结果。其使用方法如下：
const int a = 0; // decltype(a)为const int
bool func(const A& a); // decltype(a)为const A&,decltype(func)为bool(const A&)
std::vector<int> vec; // decltype(vec)为std::vector<int>, decltype(vec[0])为int&
decltype在C++ 11中最主要的用途是 函数模板的返回类型，且返回类型依赖形参。以STL中的容器为例，一个函数有两个参数，一个参数是容器，另一个参数是索引，此函数可以通过[]来访问容器中指定索引的值，然后返回该值。因此，函数的返回类型应该和该[]索引获取的值的类型相同。对于T类型的容器，使用operator[]通常会返回一个T&类型的对象，比如std::queue。但是对于std::vector
如果想要函数针对所有容器都返回正确的类型，则可以采用decltype推导返回值类型，如下：
template<typename Container,typename Index>
auto GetContainerIndex(Container& c,Index i) -> decltype(c[i])
{
return c[i];
}
这里需要尾置返回类型语法，这是因为对于GetContainerIndex函数中，返回类型的推导依赖于c和i,如果放到前置，则c和i就是未声明变量，无法使用。在尾置返回类型中，根据c[i]的类型进行推导，就可以得到正确的返回值类型。
上述的用法是在C++11中，在C++14中，我们可以直接忽略尾置的decltype推导，直接使用
template<typename Container,typename Index>
auto GetContainerIndex(Container& c,Index i) // C++ 14
{
return c[i];
}
此时auto不是进行auto类型推导，而是表示编译器会从函数的实现中自动推导函数的返回类型。但是前述中提到过，auto类型推导会忽略表达式参数的引用属性，即operator[]的返回类型是T&,但是auto推导的结果是T,因此下面的代码就会出现编译错误：
std::queue<int> queue;
GetContainerIndex(queue,5) = 5; // 编译错误
在上述代码中，GetContainerIndex(queue,5)应该返回一个int&,但是auto类型推导忽略了引用部分，返回类型变成了int，因此返回值是一个右值，给一个右值进行赋值在C++11是无法通过编译的。C++14中采用decltype(auto）来解决这个问题。
template<typename Container,typename Index>
decltype(auto) GetContainerIndex(Container& c,Index i) // C++ 14
{
return c[i];
}
这里的decltype(auto)可以这么理解:auto表示类型会被自动推导，而decltype表示decltype的规则会作用在此推导过程中。这样函数就会真正的返回int&了。
decltype(auto)不仅仅可以使用在函数返回类型上,也可以使用在变量的初始化上，这样会在auto的变量初始化应用decltype的规则。如下：
int a = 0;
const int& b = a;
auto c = b; // c忽略了b的引用属性，推导为int
decltype(auto) d = b; // d的推导相当于decltype(b)，d被推导为const int&
在通常的使用场景中，decltype都会推导出期望的类型结果，但是依然存在一些特殊情况：
int a = 0;
decltype(a); // 推导结果为int
decltype((a)); // 推导结果为int&
通过一个小括号即可以改变decltype推导的结果。这种特殊的情况只需要了解即可。
总结
本文主要介绍了C++11中的auto和decltype关键字，介绍了auto和decltype背后的类型推导的思想，auto在不同的情况下会出现不同的推导行为，而decltype相比auto而言，可以得到更加精确的推导结果。
本文主要来自于《EffectiveMordernC++》。
