Effective Modern C++(C++14)
GitHub - CnTransGroup/EffectiveModernCppChinese: 《Effective Modern C++》- 完成翻译
Deducing Types
- 模版类型推导:
- 引用,const,volatile被忽略
- 数组名和函数名退化为指针
- 通用引用:
- 左值保持引用和const
- 右值忽略引用和const
- auto 类型推导:
- {} 初始化被auto推导为std::initializer_list
- 模版推导无法解析 {} 初始化
- 不可见的代理类可能会使auto从表达式中推导出“错误的”类型
- decltype 类型推导:
- 将decltype应用于变量名会产生该变量名的声明类型
- 返回decltype-》auto + decltype尾返回类型
- auto 与 decltype(auto)不同,decltype保留了auto忽略的左值引用
decltype(x+y) add(T x, U y){}; // 编译错误template <typename T, typename U>
auto add(T x, U y) -> decltype(x+y)
{ return x+y;
} template <typename T, typename U> // C++ 14
auto add(T x, U y)
{ return x+y;
}decltype(auto) f1()
{int x = 0;return x; //decltype(x)是int,所以f1返回int
}decltype(auto) f2()
{int x = 0;return (x); //decltype((x))是int&,所以f2返回int&
}
- 查看类型推导结果:
- 编译期:编译期报错诊断
- 运行时:
- typeid:依赖编译期解析,可能不正确
- Boost.TypeIndex
template<typename T> //只对TD进行声明
class TD; //TD == "Type Displayer"
// 如果尝试实例化这个类模板就会引出一个错误消息,因为这里没有用来实例化的类模板定义。为了查看x和y的类型,只需要使用它们的类型去实例化TD:
TD<decltype(x)> xType; //引出包含x和y
TD<decltype(y)> yType; //的类型的错误消息template<typename T>
void f(const T& param)
{using std::cout;cout << "T = " << typeid(T).name() << '\n'; //显示Tcout << "param = " << typeid(param).name() << '\n'; //显示
} //的类型#include <boost/type_index.hpp>template<typename T>
void f(const T& param)
{using std::cout;using boost::typeindex::type_id_with_cvr;//显示Tcout << "T = "<< type_id_with_cvr<T>().pretty_name()<< '\n'; //显示param类型cout << "param = "<< type_id_with_cvr<decltype(param)>().pretty_name()<< '\n';
}
Modern C++:98 vs 11
- 构造,拷贝构造,拷贝复制
Widget w1; //调用默认构造函数
Widget w2 = w1; //不是赋值运算,调用拷贝构造函数
w1 = w2; //是赋值运算,调用拷贝赋值运算符(copy operator=)
- 初始化:(),=,{}
- ():构造,无参构造和函数声明语义冲突,无参构造应该省略()
- =:拷贝构造,拷贝赋值
- {}:统一初始化,不允许类型变窄
- std::initializer_list 和 {} 初始化永远是最佳匹配
- () 初始化和 {} 初始化可能会有巨大不同:ex:std::vector
- 重载指针参数和整型参数:
- 0:int
- NULL:int or long
- nullptr:std::nullptr_t,可以隐式转换为指向任何内置类型的指针
- **typedef(C++98)和using(C++11):**using别名模版更简单,不需要::type和typename
template<typename T> //MyAllocList<T>是
using MyAllocList = std::list<T, MyAlloc<T>>; //std::list<T, MyAlloc<T>>
MyAllocList<Widget> lw; //用户代码template<typename T> //MyAllocList<T>是
struct MyAllocList { //std::list<T, MyAlloc<T>>typedef std::list<T, MyAlloc<T>> type; //的同义词
};
MyAllocList<Widget>::type lw; //用户代码template<typename T>
class Widget { //Widget<T>含有一个
private: //MyAllocLIst<T>对象typename MyAllocList<T>::type list; //作为数据成员
}; template <class T>
using remove_const_t = typename remove_const<T>::type;
template <class T>
using remove_reference_t = typename remove_reference<T>::type;
template <class T>
using add_lvalue_reference_t = typename add_lvalue_reference<T>::type;
- 非限域Enum(C+98)和限域Enum(C++11):限域class enum不污染命名空间,都支持底层类型,但是Enum class不能隐式转换只能cast
enum Color { black, white, red }; //black, white, red在Color所在的作用域
auto white = false; //错误! white早已在这个作用域中声明enum class Color { black, white, red }; //black, white, red限制在Color域内
auto white = false; //没问题,域内没有其他“white”
Color c = white; //错误,域中没有枚举名叫white
Color c = Color::white; //没问题using UserInfo = //类型别名,参见Item9std::tuple<std::string, //名字std::string, //email地址std::size_t> ; //声望enum UserInfoFields { uiName, uiEmail, uiReputation };
UserInfo uInfo; //同之前一样
auto val = std::get<uiEmail>(uInfo); //啊,获取用户email字段的值template<typename E> //C++14
constexpr std::underlying_type_t<E>toUType(E enumerator) noexcept
{return static_cast<std::underlying_type_t<E>>(enumerator);
}
auto val = std::get<toUType(UserInfoFields::uiEmail)>(uInfo);
- 未定义私有声明(C++98)和deleted(C++11):
- 删除自动生成的函数:都可
- 删除隐式转换类型的函数重载:only deleted
template <class charT, class traits = char_traits<charT> >
class basic_ios : public ios_base {
private:basic_ios(const basic_ios& ); // not definedbasic_ios& operator=(const basic_ios&); // not defined
};template <class charT, class traits = char_traits<charT> >
class basic_ios : public ios_base {
public:basic_ios(const basic_ios& ) = delete;basic_ios& operator=(const basic_ios&) = delete;
};bool isLucky(int number); //原始版本
bool isLucky(char) = delete; //拒绝char
bool isLucky(bool) = delete; //拒绝bool
bool isLucky(double) = delete; //拒绝float和doubletemplate<>
void processPointer<void>(void*) = delete;
template<>
void processPointer<char>(char*) = delete;
class Widget {
public:template<typename T>void processPointer(T* ptr)
};
template<> //还是public,
void Widget::processPointer<void>(void*) = delete; //但是已经被删除了
- 显式override和final来实现重载和避免重载:C++11新增引用限定符
class Widget {
public:using DataType = std::vector<double>;DataType& data() & //对于左值Widgets,{ return values; } //返回左值DataType data() && //对于右值Widgets,{ return std::move(values); } //返回右值
private:DataType values;
};
- 优先使用const_iterator而非iterator
- **begin,end,cbegin,rbegin的非成员函数通用性更强,**可用于原生数组
- **尽可能使用noexcept:**可以编译优化,noexcept函数可以调用异常中立函数
RetType function(params) noexcept; //极尽所能优化 //C++11风格,没有来自f的异常
RetType function(params) throw(); //较少优化 //C++98风格,没有来自f的异常
RetType function(params); //较少优化
- **const 常量,编译期不一定可知;constexpr 编译期常量,编译期可知;constexpr 函数值根据参数在编译期是否可知决定,**constexpr函数既可以是运行时也可以是编译期
- const成员函数中的mutable成员变量,需要mutex或atomic来保证线程安全
- 特殊成员函数:构造,析构,拷贝构造,拷贝赋值,移动构造,移动赋值
- **Role of Three:**自定义资源管理时,析构,拷贝构造,拷贝赋值同时自定义
- 移动操作仅当类没有显式声明移动操作,拷贝操作,析构函数时才自动生成
- 在自定义移动时,相应拷贝被deleted,在自定义析构时,拷贝不自动生成
- **置入emplace_back优于插入push_back:**避免了临时对象的创建和销毁
Smart Pointers
- **unique_ptr:专有所有权,大小与原始指针相同,不占用额外内存资源,**完全拥有指向内容的所有权,只能移动不能复制,可以转化为shared_ptr
- **shared_ptr:共享所有权,大小是原始指针二倍,包含引用计数,**引用计数在堆上,内存动态分配,原子操作增减
- 使用maked_shared创建,或直接传递new指针,不要传递原始指针变量
- 如果原始指针变量存在,且存在多个基于原始指针的shared_ptr,会存在多次析构的问题
- **weak_ptr:从shared_ptr创建,不拥有所有权,**只能判断原指针是否过期,不能解引用
- 获取shared_ptr:lock(),shared_ptr()
- 避免shared_ptr循环引用无法释放
- 作为缓存,观察者,只判断是否过期
- make_shared, make_unique:
- 异常安全,异常时不会导致内存泄漏
- 对象内存和引用计数内存一次分配
- 控制块和对象内存块绑定,存在weak_ptr时无法实际释放内存
- Pimpl,Pointer to implementation:通过减少在类实现和类使用者之间的编译依赖来减少编译时间。(减少头文件中包含其他头文件的数量)
- unique_ptr: 独占所有权,符合抽象,析构函数和移动拷贝函数的定义需要在不完整类型实现之后
- shared_ptr:共享所有权,不符合抽象,运行时数据结构更大
// 原 header
class Widget() { //定义在头文件“widget.h”
public:Widget();…
private:std::string name;std::vector<double> data;Gadget g1, g2, g3; //Gadget是用户自定义的类型
};// 新 header
class Widget { //仍然在“widget.h”中
public:Widget();~Widget();Widget(Widget&& rhs); //只有声明Widget& operator=(Widget&& rhs);…private: //跟之前一样struct Impl;std::unique_ptr<Impl> pImpl;
};// 新 cpp
#include <string> //跟之前一样,仍然在“widget.cpp”中
…struct Widget::Impl { … }; //跟之前一样Widget::Widget() //跟之前一样
: pImpl(std::make_unique<Impl>())
{}Widget::~Widget() = default; //跟之前一样Widget::Widget(Widget&& rhs) = default; //这里定义
Widget& Widget::operator=(Widget&& rhs) = default;
Rvalue, Move & Forward
- **move:**无条件将实参转化为右值,不一定移动构造,const变量无法移动时只能拷贝构造
- **forward:**当且仅当实参为右值时,将其转化为右值
- move 和 forward 都是** cast 操作,运行期无代码**
- **通用引用:**T&&, auto&&,类型推导决定是左值引用还是右值引用
- 函数返回值,传参,最后一次使用:右值引用使用move,通用引用使用forward
- **返回值优化:**返回函数内的局部对象
- 使用move移动操作来返回
- 直接在返回值的内存中构建局部对象,消除拷贝操作
- 通用引用参数的函数重载,优先级高于大部分函数
- 完美转发的构造函数,non-const的优先级可能会大于拷贝构造和系统构造函数
- 重载通用引用:
- tag dispatch
template<typename T>
void logAndAdd(T&& name)
{logAndAddImpl(std::forward<T>(name),std::is_integral<typename std::remove_reference<T>::type>());
}template<typename T> //非整型实参:添加到全局数据结构中
void logAndAddImpl(T&& name, std::false_type) //译者注:高亮std::false_type
{auto now = std::chrono::system_clock::now();log(now, "logAndAdd");names.emplace(std::forward<T>(name));
}std::string nameFromIdx(int idx); //与条款26一样,整型实参:查找名字并用它调用logAndAdd
void logAndAddImpl(int idx, std::true_type) //译者注:高亮std::true_type
{logAndAdd(nameFromIdx(idx));
}
- enable_if 约束
class Person { //C++14
public:template<typename T,typename = std::enable_if_t< //这儿更少的代码!std::is_base_of<Person,std::decay_t<T> //还有这儿>::value> //还有这儿>explicit Person(T&& n);…
};
- 引用折叠(reference collapsing)。禁止你声明引用的引用,但是编译器会在特定的上下文中产生这些。当编译器生成引用的引用时,引用折叠指导下一步发生什么。
- 如果任一引用为左值引用,则结果为左值引用。否则(即,如果引用都是右值引用),结果为右值引用。
- 折叠发生在四种情况下:模板实例化,auto类型推导,typedef与别名声明的创建和使用,decltype。
- 通用引用就是在特定上下文的右值引用,上下文是通过类型推导区分左值还是右值,并且发生引用折叠的那些地方。
- **移动语义的缺陷:**某些情况不存在,速度不如复制,非noexcept移动不可用
- 完美转发(perfect forwarding)意味着我们不仅转发对象,我们还转发显著的特征:它们的类型,是左值还是右值,是const还是volatile。
- **完美转发失败:**花括号初始化,作为空指针的0或者NULL,仅有声明的整型static const数据成员,模板和重载函数的名字,位域。
template<typename T>
void fwd(T&& param) //接受任何实参
{f(std::forward<T>(param)); //转发给f
}template<typename... Ts>
void fwd(Ts&&... params) //接受任何实参
{f(std::forward<Ts>(params)...); //转发给f
}
- 重载拷贝左值,移动右值-》完美转发-》直接传值移动:
- 多一次额外的移动,适用移动开销低
- 左值:拷贝+移动
- 右值:移动+移动
- 实现简单,不用重载,不用模版
- 多一次额外的移动,适用移动开销低
class Widget { //方法1:对左值和右值重载
public:void addName(const std::string& newName){ names.push_back(newName); } // rvaluesvoid addName(std::string&& newName){ names.push_back(std::move(newName)); }
private:std::vector<std::string> names;
};class Widget { //方法2:使用通用引用
public:template<typename T>void addName(T&& newName){ names.push_back(std::forward<T>(newName)); }
};class Widget { //方法3:传值
public:void addName(std::string newName){ names.push_back(std::move(newName)); }
};
Lambda
lambdas 和闭包类存在于编译期,闭包存在于运行时。
- **按引用捕获:**捕获的变量超出生命周期,导致悬空引用
- **按值捕获【默认】:**捕获指针,导致悬空引用;无法捕捉成员变量,只能捕捉this指针;无法捕捉static变量
- **初始化捕获,可以捕获移动对象【移动捕获】:**c++11可以使用bind来模拟捕获移动对象
auto func = [pw = std::move(pw)] //使用std::move(pw)初始化闭包数据成员{ return pw->isValidated()&& pw->isArchived(); };auto func = [pw = std::make_unique<Widget>()] //使用调用make_unique得到的结果{ return pw->isValidated() //初始化闭包数据成员&& pw->isArchived(); };
- **泛型捕获:**捕获auto&&,C++11可以使用bind的完美转发来模拟泛型捕获
auto f = [](auto&& param){return func(std::forward<decltype(param)>(param));};auto f = [](auto&&... param){return func(std::forward<decltype(param)>(param)...);};
- 使用lambda取代bind:
// lambda
auto setSoundL = [](Sound s) {using namespace std::chrono;using namespace std::literals; //对于C++14后缀setAlarm(steady_clock::now() + 1h, //C++14写法,但是含义同上s,30s);};// bind
using SetAlarm3ParamType = void(*)(Time t, Sound s, Duration d);auto setSoundB = std::bind(static_cast<SetAlarm3ParamType>(setAlarm), // 无法处理类型重载,需要显式制定类型std::bind(std::plus<>(), steady_clock::now(), 1h), // 需要推迟表达式求值,避免在调用实际函数前求值_1,30s);
Concurrency API
Concurrency support library (since C++11) - cppreference.com
concurrency library
- :Mutual exclusion
- lock_guard,unique_lock
- <condition_variable>
atomic & mutex
- **atomic:**原子操作,一个CPU指令实现
- **mutex:**互斥锁,可由atomic实现加锁解锁操作,未拿到锁需要陷入内核完成线程挂起
- **自旋锁:**可由atomic实现,未拿到锁不会挂起线程,效率高于互斥锁
atomic & volatile
- std::atomic用在并发编程中,对访问特殊内存没用。
- 可以限制编译器或底层硬件对代码进行重排和乱序执行,在不使用互斥锁时,避免并发编程时的数据竞争问题
- volatile用于访问特殊内存,对并发编程没用。
- 内存映射IO时,编译器不会优化重复读写,冗余访问,无用存储等代码
thread, pthread & cpu cores
- 硬件线程:
- 物理CPU个数:个人电脑1个插槽,服务器2个插槽
- 物理CPU核心数【物理CPU的芯片组数量】:双核,四核,八核
- 逻辑核=虚拟核=硬件线程【超线程,同步多线程技术】:8核16线程
- 软件线程:
- 系统线程,操作系统线程,操作系统调度到硬件线程上执行的线程
- pthread(POSIX thread),windows thread
- std::thread:
- C++对象,软件线程的句柄
- joinable:正在运行
- unjoinable:
- 默认构造
- 已被移动
- join:运行完毕
- detach:与软件线程之间的连接关系被打断
thread & future
- 基于线程异步执行:std::thread t(doAsyncWork);
- 不能直接访问异步执行的结果,如果执行函数有异常抛出,代码会终止执行。
- 自己处理线程耗尽、资源超额、负载均衡、平台适配等问题
- 可以访问pthread api,使用thread pool
- 基于任务异步执行:auto fut = std::async(doAsyncWork);
- 可以获取异步执行的结果和异常
- 标准库处理线程耗尽、资源超额、负载均衡、平台适配等问题
- 默认std::launch::async | std::launch::deferred, 不保证执行,异步执行, std::launch::async强制异步执行
thread disconstruction
析构joinable的thread会导致程序终止。
使用RAII(“Resource Acquisition Is Initialization,资源获得即初始化)包装thread,在析构时进行join。
class ThreadRAII {
public:enum class DtorAction { join, detach };ThreadRAII(std::thread&& t, DtorAction a): action(a), t(std::move(t)) {}~ThreadRAII(){if (t.joinable()) {if (action == DtorAction::join) {t.join();} else {t.detach();}}}std::thread& get() { return t; }private:DtorAction action;std::thread t;
};
future disconstruction
析构future会导致隐式的join或隐式的detach:
- 引用了强制异步任务的共享状态的最后一个future,隐式join,在异步执行完成之前阻塞
- 其他future,隐式detach
thread communication: condition variable,atomic & future
- **condition variable + mutex:**需要结合互斥锁,且需要重复验证避免虚假唤醒
std::condition_variable cv; //事件的条件变量
std::mutex m; //配合cv使用的mutex
… //检测事件
cv.notify_one(); //通知反应任务
… //反应的准备工作
{ //开启关键部分std::unique_lock<std::mutex> lk(m); //锁住互斥锁cv.wait(lk); //释放锁后等待通知,通知后再次加锁… //对事件进行反应(m已经上锁)
} //关闭关键部分;通过lk的析构函数解锁m
… //继续反应动作(m现在未上锁)
- **atomic:**基于轮询,而不是阻塞
std::atomic<bool> flag(false); //共享的flag
… //检测某个事件
flag = true; //告诉反应线程
… //准备作出反应
while (!flag); //等待事件
… //对事件作出反应
- **future:**使用了堆内存存储共享状态,只能使用一次通信
std::promise<void> p; //通信信道的promise
… //检测某个事件
p.set_value(); //通知反应任务
… //准备作出反应
p.get_future().wait(); //等待对应于p的那个future
… //对事件作出反应