CS106L总结与C++的一些新特性

这篇文章主要根据Stanford CS106L课程中的内容，对之前的博客Accelerated C++笔记进行一些补充

auto关键字

• auto意味着由编译器自动推断出类型，如果对象的类型是什么不太重要时，可以使用auto
• 一些使用场景：
  • 在声明某个容器的迭代器时使用auto可以避免输入冗长的类型
  • 在可以根据上下文简单推断出对象类型时（如模板类中或者使用拷贝构造函数、拷贝赋值函数时）
  • 在lambda函数中
• 不能随便使用auto（例如对函数返回值类型不能简单用auto替代，会降低可读性，像auto a;这种使用方法也是非法的）
• 在使用auto拷贝对象时，会丢弃被拷贝对象原本的const或者引用属性，所以如果想保留这些属性的话必须将const或者&与auto结合使用

std::pair与结构绑定

• std::pair用于将两个任意类型的对象绑定起来
  • 声明与初始化：std::pair<T1, T2> p = {field1, field2};
  • 使用p.first和p.second来访问pair中的对象
  • 可以使用std::make_pair(field1, field2)来构造一个pair
  • 可以使用pair作函数返回值，同时返回函数状态（成功？/失败？）以及需要的结果（值）
• 结构绑定：直接使用auto+中括号获取pair中的内容，例如对上面声明的p，可以这样获得其中的内容：auto [field1, field2] = pair;

关于stream的更多知识

• stream是对输入和输出的抽象，用于将数据和字符串之间互相转换
• 关于输出流：<<操作符将对象转换为字符串保存在缓冲区，然后在遇到std::endl时一起输出
• 在之前的文章中提到过std::getline(istream& stream, std::string& string)的用法，不要和>>混用
• 关于流的状态位：
  • Good bit：std::ios_base::goodbit，准备好读/写
  • Fail bit：std::ios_base::failbit，上一次操作失败（例如要求读入一个int却收到了一个char），后续的操作都会被冻结
  • EOF bit：std::ios_base::eofbit，上一次操作到达缓冲区的结尾（例如cin遇到了空格或EOF）
  • Bad bit：std::ios_base::badbit，外部错误，大概率不可恢复（例如正在读的文件突然被删除）
  • G/F、G/E状态位是可以同时出现的，通常需要检查F/E状态位
• 注意std::cin不要和>>一起使用：
  • std::cin按行读入缓冲区但>>用空格将其分段
  • 缓冲区的垃圾值会让std::cin不提示用户开始输入
  • std::cin的F状态位开启后后续操作全部失效
• 关于stringstreams
  • 使用stringstrems之前要先定义对象，如：std::istringstream iss("blah blah");，std::ostringstream oss("blah blah");
  • std::istringstream：将任何类型数据存储为std::string，在与>>一起使用时会根据对象类型进行拆分
  • std::ostringstream：将任何类型的数据转为字符串输出，使用oss.str()方法进行转换

通用初始化与std::initializer_list

• 通用初始化（Uniform Initialization）可以用于初始化非内置类型，如假设有一个自定义类Student，那么可以使用Student s{"Yaju", "JP", 24};的方式初始化
• 通用初始化可以嵌套使用
• std::initializer_list可以用于接受含有同种类型元素的列表，只能被整体初始化或者赋值
  • 对于自定义类Student，若其定义了接受std::initializer_list的拷贝构造函数，可以通过这种方式进行初始化：Student stu = {"Yaju", "JP", 24};
  • 也可以使用std::initializer_list传递函数参数

STL序列容器对比

这里主要是对比一下std::vector、std::deque、std::list几个序列容器：

• std::vector：向量

• std::list：双向链表

• std::deque：双向队列，有下标顺序容器，允许其在首位两端快速插入/删除

绝大部分情况下用std::vector就可以了。

#include “xxx.cpp”的作用以及编译过程

在CS106L的课程中，是在模板类中涉及到#include "xxx.cpp"这样的操作。通常情况下，模板类的声明和定义只能写在头文件中，而不能像非模板类那样讲声明写在头文件中，将定义写在源文件中，然后再在源文件中include头文件。但是如果一定要分离模板类的声明和定义，可以使用头文件include源文件的形式。不过这样只是在代码层面将两者分离，不会对编译过程有任何帮助，所以一般没有必要。

一般需要引入.cpp文件的原因有两个：

• 把代码内一些写死的复杂数据拆分出来，单独放入一个源文件，看起来更整洁
• 将.cpp文件全部include之后有助于编译器对代码的优化

下面给出编译过程：

• 预编译：输入.cpp+.h，展开头文件、宏定义、内联函数等
• 编译：输入.i，得到汇编代码
• 汇编：输入.s，将汇编指令转为机器码
• 链接：输入.o（二进制文件），将其与各个库进行链接，确定函数定义和全局变量的位置
• 最后得到可执行文件.exe

using、typedef及其作用域

• 定义一般类型的别名时没有区别，定义模板的别名只能用using
• 通常使用using就可以了
• using是局部的，其作用域为从using声明开始，直到包含其声明的作用域结尾

范围for循环

对于一个容器，使用其迭代器自动迭代：

std::vector<int> vec{1, 2, 3, 4, 5};

for (auto it : vec) {
	std::cout << it << std::endl;
}

• 如果需要修改容器中的值，需要对范围for中的迭代器声明为引用类型auto&
• 在循环体中，it直接是解引用后的
• 对任何容器，想要使用范围for，必须具备以下属性：
  • 具有begin和end方法
  • 迭代器支持操作符*、!、= 、++（前缀）

运算符重载与仿函数（functor）

• 在类中，作为成员函数的重载运算符的左操作数默认为this，且只能从对象左边被调用

• 非成员函数的重载运算符若需要访问类的私有成员，可以将其声明为friend

• 仿函数（functor）：重载()运算符的类，也叫函数对象

  • 通过使用对象维护某些操作中重复出现的值，使语法更加简洁

  • 可以在函数中调用这个仿函数对象来进行特定的操作，使用仿函数（本质是一个类的实例）时的方法就像使用函数一样，调用仿函数的函数负责为仿函数提供需要的参数

• 仿函数的功能可以使用函数指针实现，他们都是另一个函数的参数

lambda表达式

• lambda表达式可以用于替代仿函数与函数指针
• 其形式为

type_name func_name = [outside_vars](type_name parameter)->return_type {body}

• 捕获列表：[]运算符表示接下来的代码是lambda函数，用于捕获上下文中的变量供lambda表达式使用
  • []表示不捕获任何变量
  • [var]、[&var]分别表示通过值/引用传递捕获变量
  • [=]、[&]分别表示通过值传递或者引用传递方式捕获所用父作用域的变量
  • 捕获列表中通过值传递的变量默认是不能在lambda函数中修改的，但是可以通过在函数体前面加上mutable关键字来使其可以被修改
• 参数列表：用于声明函数体中需要用到的参数及其类型
• 返回值是可选的

for_each

• for_each是一种另一种循环的语义
• 其形式为：for_each(InputIter first, InputIter last, UnaryFunction) {body}
• 第一、二个参数是容器的迭代器，分别指向需要操作的元素范围的起点和终点
• 第三个参数可以接受std::function，包括函数指针或其引用、仿函数、lambda表达式

Special member functions

对于一个类A，共有6个：

• 默认构造函数：A() {};

• 拷贝构造函数：A(const A& other);

  拷贝构造函数使用另一个对象对一个对象初始化，其中成员变量要全部复制到被初始化的那个对象中

• 拷贝赋值函数：A& operator=(const A& rhs)

  函数返回值为引用以实现连续赋值，在函数体中要判断this指针是不就是rhs以防止自我赋值，需要先释放对象中原来保存的资源

• 移动构造函数：A(A&& other);

  函数参数不能是const的且必须把右值的内容更改掉，函数内部均使用std::move进行赋值

• 移动赋值函数：A& operator=(A&& rhs)

  需要判断是否是自我赋值，其他与移动构造函数一致

• 析构函数：~A() {};

深拷贝与浅拷贝

• 浅拷贝：基本数据类型、简单的类使用浅拷贝即可，就是将rhs内存中的数据直接拷贝到lhs中
• 深拷贝：如果某个类内部有动态分配的内存或者指向其他数据的指针，那么对该类的两个对象就不能简单的直接进行拷贝赋值，否则两个类中的内存或指针将指向同一个区域，深拷贝就是将rhs中持有的内存中的数据同样拷贝一遍，这样可以做到原有对象和新对象中持有的内存是互相独立的

左/右值，左/右值引用

• 左值：有自己的内存，表达式结束后仍能存在的持久对象
• 右值：没有分配的内存，表达式结束后不再存在的临时对象，包括字面量（除字符外）与将亡值（临时的表达式的值，临时的函数返回值等）
• 字符字面量不是右值，因为它在静态存储区
• 左值引用&：引用左值，深拷贝
• 右值引用&&：引用右值，浅拷贝，对右值因为其不需要持续存在，所以在拷贝时可以直接将rhs中持有的内存给lhs而不需要再拷贝一次内存中的内容
• const &同样可以接受右值

移动语义

• 对于之后不再继续使用的对象，可以在将其复制给其他对象时用std::move强转右值，尤其是在复制体积较大的对象时
• 使用std::move不会改变原对象的左右值属性，这就要求在对象的移动构造/赋值函数中手动释放原对象的资源

Rule of 4 (or 6, or 0)

• 在一个类中，如果你确实需要手动定义4个SMF（不包括移动构造和移动赋值函数，如果包括就是6个）中的任意一个，那么你就需要定义其余的SMF
• 如果默认的SMF能用，那么你不要自己定义SMF

std::optional

• std::optional是一个模板类，其中可以含有某个类的值或者什么都没有（此时它是std::nullopt），它可以用来防止类成员函数中的某些未定义行为发生
• 成员函数（接口）：
  • value()：返回其中保存的值或抛出bad_optional_access异常
  • value_or()：返回其中保存的值或默认值
  • has_value()：如果其中有值则返回true，否则返回false

RAII与智能指针

• 程序中发生的一些异常可能导致之前申请的动态内存没有被释放

• RAII：Resource Acquisition Is Initialization，一个类的所有资源都应该在构造函数中申请，在析构函数中释放，这里的资源包括动态分配的内存、文件、锁等

• 针对内存而言，可以使用智能指针实现RAII使用智能指针避免显式使用new、delete

• 有三种智能指针：

  • std::unique_ptr：不能被复制，只有它自己能管理它所指向的资源，当它离开自己的作用域时它和它指向的资源都被释放，使用std::make_unique<T>()初始化，不能拷贝构造或拷贝赋值，但是可以进行移动构造或移动赋值
  • std::shared_ptr：可以被复制，对一处内存，当所有std::shared_ptr都和它没关系时这块内存就会被释放，使用std::make_shared<T>()初始化，可以用于代替（计数）句柄类
  • std::weak_ptr：可以临时控制资源，只能通过对std::shared_ptr拷贝赋值或移动赋值的方式初始化

• 例：

  std::unique_ptr<T> up = std::make_unique<T>();
  std::shared_ptr<T> sp = std::make_shared<T>();
  std::weak_ptr<T> wp = sp;