【c++11】c++11新特性（上）（列表初始化、右值引用和移动语义、类的新默认成员函数、lambda表达式）

🌟🌟作者主页：ephemerals__

🌟🌟所属专栏：C++

前言

一、列表初始化

1. 大括号初始化

2. initializer_list

二、右值引用和移动语义

1. 左值和右值

2. 左值引用和右值引用

引用延长生命周期

左值引用和右值引用的参数匹配原则

右值引用的适用场景

引用折叠与万能引用

完美转发

三、类的新默认成员函数

1. 移动构造函数

2. 移动赋值函数

四、lambda表达式

1. 捕捉列表

显式捕捉

隐式捕捉

混合捕捉

捕捉列表的其他要点

2. lambda表达式的适用场景

总结

前言

c++11 标准的发布为 c++ 带来了革命性的变化，引入了许多强大的新特性，使代码更简洁、高效且现代化。这些特性不仅提升了开发效率，还优化了性能，是现代 c++ 编程的重要基石。本篇文章，我们将重点探讨 c++11 的几个核心改进：列表初始化、右值引用和移动语义、类的新默认成员函数以及lambda表达式。

一、列表初始化

1. 大括号初始化

在c++98中，允许数组和结构体使用大括号初始化，例如：

#include <iostream>
using namespace std;struct STU
{int a;double b;
};int main()
{int arr[5] = { 1,2,3,4,5 };STU s = { 3,5.5 };return 0;
}

而在c++11之后，统一了初始化方式，“ 一切对象 ”均可以用大括号进行初始化（也叫做列表初始化），十分方便。举例：

int a = { 2 };
const STU& rs = { 3,5.5 }; //引用临时对象

对于自定义类型，使用大括号初始化本质是一种隐式类型转换，会产生临时对象，不过很多编译器会将其进行优化为直接构造对象。

注意：使用大括号初始化时，赋值符号可以省略。

int a{ 1 };
STU s{ 2,3.1 };
const STU& rs{ 3,5.5 };

c++11的大括号初始化方式，也在某些场景下带来了许多便利，例如调用容器接口操作多参数类型构造的对象时：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
using namespace std;int main()
{vector<pair<string, int>> v;//v.push_back(pair<string, int>("hello", 1)); //传统的方式--构造匿名对象v.push_back({ "hello", 1 }); //使用大括号构造pair，十分方便return 0;
}

2. initializer_list

虽然刚才提到的大括号初始化已经十分方便，但是对于容器的多元素初始化，仍旧有些麻烦。所以c++11引入了一个新容器 -- initializer_list（初始化列表/初始化器），并在STL各种容器中增加了有它支持的构造函数、拷贝构造函数和赋值重载。代码示例：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <list>
#include <map>
using namespace std;int main()
{vector<int> v = { 1,2,3,4,5 };list<double> l = { 3.1,5.2,4.8 };map<string, int> m = { {"hello", 1}, {"hehe", 3} };return 0;
}

这里赋值使用的大括号及其内部元素，即是initializer_list。它也有自己的定义方式：

//两种方式均可
auto il1 = { 1,2,3,4,5 };
initializer_list<int> il2 = { 1,2,3,4,5 };

initializer_list的本质是一个数组，其元素存放在栈区当中，它的迭代器是原生指针，内部有两个迭代器分别指向其开始位置和结束位置。我们使用它对容器进行构造或赋值时，是构造了一个initializer_list的对象，然后调用容器的相应函数去遍历initializer_list，一个个地构造。

二、右值引用和移动语义

在某些情况下，使用传统的左值引用，并不能提高效率：

vector<string> v;
v.push_back("hello"); //“hello”是临时对象，不能直接进行引用

而在c++11当中，引入了一种新的引用--右值引用。

1. 左值和右值

左值：一般是一个持久存在的表达式，有明确内存地址，可以进行取地址操作。左值既可以放在赋值号左边，也可以放在赋值号右边。

右值：指那些临时性的，即将被销毁的，以及常量表达式，没有明确的内存地址，不能进行取地址操作。右值不能放在赋值号左边。

2. 左值引用和右值引用

顾名思义，左值引用是给左值取别名，右值引用是给右值取别名。举个例子：

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int a = 0;int& r1 = a; //左值引用int&& r2 = 1; //右值引用return 0;
}

左值引用不能直接引用右值，需要加上const；右值引用不能直接引用左值，需要将左值使用move函数包装起来（move将左值转化为右值引用）。示例：

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{const int& r1 = 1; //左值引用引用右值int a = 0;//右值引用引用左值int&& r2 = (int&&)a; //强转int&& r3 = move(a); //使用move函数return 0;
}

需要注意：这里的 r2 和 r3 虽然是右值引用，但是 r2 和 r3 本身还是左值，是可以取到地址的。

在语法层面上看，左值引用和右值引用都是给变量或常量取别名，不会开辟内存。但是从底层实现的角度上讲，左值引用和右值引用本质都是用指针实现的，与指针并没有什么区别。我们在学习语法的时候，语法所表达的意义与底层可能是背离的，尽量不要混到一起，容易陷入迷途。

引用延长生命周期

const左值引用和右值引用都可以延长临时对象的生命周期，直至引用的生命周期结束，但const左值引用所引用的对象不可被修改；而通过右值引用，可以修改所引用的临时对象，因为右值引用本身是左值。

示例：

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{const int& r1 = 1 + 3;r1++; // 报错，表达式必须是可修改的左值int&& r2 = 1 + 3;r2++; // 可以修改return 0;
}

左值引用和右值引用的参数匹配原则

在c++98当中，被const修饰的左值引用形参既可以接收左值，也可以接收右值。而在c++11当中，由于引入了右值引用，所以当同时存在两个形参分别为右值引用和const的左值引用的重载函数时，如果我们传入左值，那么会优先调用const左值引用的重载函数；如果传入右值，则会优先调用右值引用版本的重载函数。

代码示例：

#include <iostream>
using namespace std;//const左值引用版本
void func(const int& x)
{cout << "调用左值引用" << endl;
}//右值引用版本
void func(int&& x)
{cout << "调用右值引用" << endl;
}int main()
{int a = 0;func(a); // 传入左值func(1); // 传入右值func(move(a)); // 传入右值return 0;
}

注意：在右值引用版本的重载函数中，参数x的性质是左值（之前已经提到），所以如果要将x作为参数传入一个形参是右值引用的函数中，需要使用move或强转为右值引用类型。

那么，右值引用存在的意义是什么呢？实际上右值引用的核心价值在于支持移动语义，主要体现在移动构造和移动赋值这两个新默认成员函数中。我们具体分析一下。

右值引用的适用场景

虽然说左值引用可以在对象的传参和返回时减少拷贝，提高效率。但如果对象在函数体内部创建，其离开函数体时就会销毁。如果要传值返回或强行传引用返回，就会发生拷贝/出现野引用。

此时右值引用的作用就体现出来了：右值引用可以接收即将被销毁的对象，再以左值的形式，在对象销毁之前，配合移动构造或移动赋值，将对象的资源直接移走，避免拷贝，从而提效。

string类的移动构造和移动赋值实现示例：

//移动构造
//接收一个右值，通过右值引用转化为左值
string(string&& s)
{swap(s);//使用swap直接掠夺即将销毁的对象的资源
}//移动赋值
string& operator=(string&& s)
{swap(s);return *this;
}

有了移动构造，函数体内部定义的对象传值返回后，由于返回值是即将销毁的对象，会被移动构造给临时对象，临时对象再移动构造/移动赋值给当前接收对象，这样就完成了两次资源转移，在没有编译器优化的情况下也避免拷贝。

传参时，如果传入临时对象，也会通过移动构造直接将资源进行移动，免去了对象拷贝时的时间消耗。

注意：如果我们将左值经过move转化传给移动构造，那么左值的资源会被掠夺。

string s2 = move(s1); // 此时s1的资源被掠夺

引用折叠与万能引用

c++不能直接定义引用的引用，但我们可以使用typedef的方式间接定义引用的引用，称之为引用折叠。示例：

#include <iostream>
using namespace std;typedef int& lr;
typedef int&& rr;int main()
{int a = 0;lr& r1 = a;lr&& r2 = a;rr& r3 = a;rr&& r4 = 1;return 0;
};

这样就会产生四种甚至更多的引用类型，显得十分杂乱。为了使这种语法兼具实用性和简洁性，c++规定引用折叠的规则是：右值引用的右值引用表示右值引用，其余均表示左值引用。所以这里的r1,r2,r3都是左值引用，r4是右值引用。

引用折叠的机制与模板相结合，产生了“万能引用”：

template<class T>
void func(T&& x)
{//...
}

当给func函数传入左值时，T会被实例化为左值引用类型，与右值引用折叠成左值引用；当传入右值时，T会被实例化为右值类型，与“&&”结合形成右值引用。

万能引用使得模板函数在接受参数时既能处理左值，也能处理右值，使代码更具灵活性和可扩展性。

完美转发

如果我们给万能引用函数传入右值，由于右值引用变量本身是左值，所以如果用这个右值引用在内部嵌套调用其他函数，就无法保持参数的属性（传入的其实为左值），从而无法达到预期效果。为此C++提供了一个函数forward（完美转发），保持属性。

示例：

#include <iostream>
#include <utility>
using namespace std;void func2(int& x)
{cout << "左值版本" << endl;
}void func2(int&& x)
{cout << "右值版本" << endl;
}template<class T>
void func1(T&& x)
{func2(x); //预期是调用func2的右值引用版本，但x是左值func2(forward<T>(x));// 使用完美转发，传入右值
}int main()
{func1(1);return 0;
}

运行结果：

这里我们想要将func1的右值引用形参x传给func2，并调用func2的右值引用版本，但是x作为右值引用，语法规定其本身是左值类型，所以直接传入就会调用func2的左值引用版本。完美转发保持了x的右值属性，方便我们正确调用函数。

完美转发的本质是一个函数模板，它基于模板参数T的类型，决定是否使用move将左值转化为右值，从而保持原始参数的值属性，确保不会因为出现左值引用而产生不必要的临时对象拷贝，避免降低效率。

三、类的新默认成员函数

c++11在原有的六个默认成员函数的基础上，新增了两个函数：移动构造函数和移动赋值函数。之前已经提到了它们面对临时对象拷贝时的优势，这里我们再系统介绍一下这两个函数的特点。

1. 移动构造函数

移动构造函数是构造函数的一个重载，类似于拷贝构造函数，主要用于提高临时对象拷贝时的性能。它的特性如下：

1. 移动构造函数的第一个参数必须是该类类型的右值引用，如果还有其他参数，要求这些参数要有缺省值。

2. 如果我们没有显式实现移动构造函数，也没有显式实现析构函数、拷贝构造和赋值重载，那么编译器会默认生成一个移动构造函数。这个自动生成的移动构造函数进行移动构造时，如果遇到内置类型成员，会逐个拷贝；遇到自定义类型的成员，则会调用该成员的移动构造。如果该成员没有移动构造，则会调用其拷贝构造。

//移动构造
string(string&& s)
{swap(s);
}

2. 移动赋值函数

与赋值重载类似，移动赋值对已经存在的对象的赋值，并且会将对方的资源移走。它的特性：

1. 移动赋值必须重载为成员函数，且其第一个参数必须是该类类型的右值引用，一般情况下，将返回值类型设置为该类类型的左值引用，减少拷贝提高效率。

2. 如果我们没有显式实现移动赋值函数，也没有显式实现析构函数、拷贝构造和赋值重载，那么编译器会默认生成一个移动赋值函数。这个自动生成的移动赋值函数进行移动赋值时，如果遇到内置类型成员，会逐个拷贝；遇到自定义类型的成员，则会调用该成员的移动赋值。如果该成员没有移动赋值，则会调用其赋值重载。

//移动赋值
string& operator=(string&& s)
{swap(s);return *this;
}

注意：对于内部需要动态申请资源，要进行资源深拷贝的类，移动构造和移动赋值才有意义，因为移动构造和移动赋值的本质是“窃取”临时对象的资源，而不是像拷贝构造或赋值重载那样去完成资源的深拷贝，这样才能提高效率。

四、lambda表达式

lambda表达式与仿函数类似，是c++11新引入的一种匿名函数对象。与普通函数不同的是，它可以定义在函数体内部。

它的语法格式如下：

[捕捉列表](参数列表)->返回值类型{函数体}

示例：

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{//简单的lambda表达式auto f = [](int x, int y)->int {return x + y; };//调用cout << f(1, 2) << endl;return 0;
}

注意：lambda表达式的类型在语法层面是不具体的，所以我们一般用auto或者模板参数定义的对象类型去接收lambda表达式。

这里使用 f 接收lambda表达式以后，我们就可以像调用函数一样调用 f ，并且进行传参。

在定义lambda表达式时，有如下规则需要我们遵守：

1. 捕捉列表的“[ ]”不能省略。

2. lambda表达式的参数为空时，参数列表（包括“( )”）可以省略。

3. 返回值类型（包括“->”）可以省略。

4. 若返回值类型已写，那么就算没有参数，参数列表的“( )”也不能省略。

5. 函数体的“{ }”不能省略。

lambda表达式中的参数列表、返回值类型与函数体都很好理解（与普通函数的含义相同），但是这里的捕捉列表是什么呢？

1. 捕捉列表

就像函数一样，lambda表达式的函数体只能使用其对应参数列表中的变量，无法使用到外部变量。而捕捉列表可以让我们在lambda表达式的函数体当中使用外层变量。

捕捉一共分为三种，分别是显式捕捉、隐式捕捉和混合捕捉。

显式捕捉

显式捕捉就是在捕捉列表当中显式写明要在函数体中使用的变量。示例：

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int a = 1;int b = 3;auto f = [a](int x){//return a + b + x; // 报错，b不能使用return a + x; //捕捉列表中写明了a，可以使用a};cout << f(1) << endl;return 0;
}

当然，如果我们要在函数体内部修改变量a的值，是不允许的（因为这里的a是传值捕捉）。如果要修改a的值，那么需要传引用捕捉：

auto f = [&a](int x) // a前面加一个&

隐式捕捉

相比显式捕捉，隐式捕捉就显得十分便利：它的机制是函数体内部使用了哪些变量就捕捉哪些变量。隐式捕捉也分为传值捕捉和传引用捕捉：

auto f1 = [=] {}; // 隐式的传值捕捉
auto f2 = [&] {}; // 隐式的传引用捕捉

使用了隐式捕捉之后，我们就可以在函数体内部任意使用外部的变量，编译器会根据我们使用的变量自动捕捉它们。

混合捕捉

如果我们需要在隐式捕捉的基础上，确保其中某些值可以被修改或不能被修改，那么就可以使用混合捕捉。示例如下：

auto f1 = [=, &a] {}; // 其他变量使用传值捕捉，a使用传引用捕捉
auto f2 = [&, a] {}; // 其他变量使用传引用捕捉，a使用传值捕捉

注意：混合捕捉当中，捕捉列表的第一个位置必须是“=”或“&”；如果混合捕捉的隐式部分使用了传值捕捉，那么其他特定变量就不能设置为传值捕捉（没必要），传引用捕捉同上。

捕捉列表的其他要点

1. 全局变量和静态变量不能捕捉，也没必要捕捉，可以直接使用。

2. 对于传值捕捉，其本质是将外层数据进行拷贝，并加上const进行修饰，所以函数体内部没办法修改它。如果想要修改捕捉的值，而不影响外部，可以在参数列表之后，返回值类型之前加上关键字mutable。示例：

#include <iostream>
using namespace std;int main()
{int a = 0;auto f = [=]() mutable ->int //这里的返回值类型可以省略{a++; //可以修改a，且不影响外部的areturn a;};return 0;
}

注意：加上关键字mutable后，那么就算没有参数，参数列表的“( )”也不能省略。

2. lambda表达式的适用场景

在lambda表达式出现之前，可调用对象只有函数指针和仿函数两种，但它们定义起来都比较麻烦。lambda和它们的作用类似，功能也十分强大，在某些场景下编码也会更加方便（因为它是匿名函数对象）。示例：

sort(a.begin(), a.end(), [](const A& a1, const A& a2){//直接定义排序规则});

除此之外，lambda在线程中定义线程的执行函数逻辑、智能指针的删除器定义等场景中也十分适用。

总结

本篇文章，我们主要学习了c++11的部分新特性：列表初始化、右值引用、类的新默认成员函数和lambda表达式。通过剖析引用折叠、完美转发等底层机制，lambda的多种捕捉方式与适用场景，希望能帮助大家在资源管理、代码简洁性及性能提升之间找到平衡。之后博主会和大家分享c++11其他的新特性，如可变参数模板、包装器、智能指针等。如果你觉得博主讲的还不错，就请留下一个小小的赞在走哦，感谢大家的支持❤❤❤