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C++17 中那些值得关注的特性

2017-08-03 16:05 CPP开发者

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来源:祁宇(首发《程序员》杂志)  

www.iteye.com/news/32574

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引用


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(234);// (((1-2)-3)-4) = -8

auto t1 = sub_one_right(234);//(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

}


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。


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。


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