自动类型推导

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在C++11中增加了很多新的特性，比如可以使用auto自动推导变量的类型，还能够结合decltype来表示函数的返回值。使用新的特性可以让我们写出更加简洁，更加现代的代码。

1. auto

在C++11之前auto和static是对应的，表示变量是自动存储的，但是非static的局部变量默认都是自动存储的，因此这个关键字变得非常鸡肋，在C++11中他们赋予了新的含义，使用这个关键字能够像别的语言一样自动推导出变量的实际类型。

1.1 推导规则

C++11中auto并不代表一种实际的数据类型，只是一个类型声明的 “占位符”，auto并不是万能的在任意场景下都能够推导出变量的实际类型，使用auto声明的变量必须要进行初始化，以让编译器推导出它的实际类型，在编译时将auto占位符替换为真正的类型。使用语法如下：

auto 变量名 = 变量值;

根据上述语法，来列举一些简单的例子：

auto x = 3.14;      // x 是浮点型 double
auto y = 520;       // y 是整形 int
auto z = 'a';       // z 是字符型 char
auto nb;            // error，变量必须要初始化
auto double nbl;    // 语法错误, 不能修改数据类型   

不仅如此，auto还可以和指针、引用结合起来使用也可以带上const、volatile限定符，在不同的场景下有对应的推导规则，规则内容如下：

• 当变量不是指针或者引用类型时，推导的结果中不会保留const、volatile关键字
• 当变量是指针或者引用类型时，推导的结果中会保留const、volatile关键字

先来看一组变量带指针和引用并使用auto进行类型推导的例子：

int temp = 110;
auto *a = &temp;	
auto b = &temp;		
auto &c = temp;		
auto d = temp;		

• 变量a的数据类型为 int*，因此auto关键字被推导为 int类型
• 变量b的数据类型为 int*，因此auto关键字被推导为 int*类型
• 变量c的数据类型为 int&，因此auto关键字被推导为 int类型
• 变量d的数据类型为 int，因此auto关键字被推导为 int类型

在来看一组带const限定的变量，使用auto进行类型推导的例子:

int tmp = 250;
const auto a1 = tmp;
auto a2 = a1;
const auto &a3 = tmp;
auto &a4 = a3;

• 变量a1的数据类型为 const int，因此auto关键字被推导为 int类型
• 变量a2的数据类型为 int，但是a2没有声明为指针或引用因此 const属性被去掉, auto被推导为 int
• 变量a3的数据类型为 const int&，a3被声明为引用因此 const属性被保留，auto关键字被推导为 int类型
• 变量a4的数据类型为 const int&，a4被声明为引用因此 const属性被保留，auto关键字被推导为 const int类型

1.2 auto的限制

auto关键字并不是万能的，在以下这些场景中是不能完成类型推导的：

1. 不能作为函数参数使用。因为只有在函数调用的时候才会给函数参数传递实参，auto要求必须要给修饰的变量赋值，因此二者矛盾。

   int func(auto a, auto b)	// error
   {	
       cout << "a: " << a <<", b: " << b << endl;
   }

2. 不能用于类的非静态成员变量的初始化

   class Test
   {
       auto v1 = 0;                    // error
       static auto v2 = 0;             // error,类的静态非常量成员不允许在类内部直接初始化
       static const auto v3 = 10;      // ok
   }

3. 不能使用auto关键字定义数组

   int func()
   {
       int array[] = {1,2,3,4,5};  // 定义数组
       auto t1 = array;            // ok, t1被推导为 int* 类型
       auto t2[] = array;          // error, auto无法定义数组
       auto t3[] = {1,2,3,4,5};;   // error, auto无法定义数组
   }

4. 无法使用auto推导出模板参数

   template <typename T>
   struct Test{}
   
   int func()
   {
       Test<double> t;
       Test<auto> t1 = t;           // error, 无法推导出模板类型
       return 0;
   }

1.3 auto的应用

了解了auto的限制之后，我们就可以避开这些场景快乐的编程了，下面列举几个比较常用的场景：

1. 用于STL的容器遍历。

   在C++11之前，定义了一个stl容器之后，遍历的时候常常会写出这样的代码：

   #include <map>
   int main()
   {
       map<int, string> person;
       map<int, string>::iterator it = person.begin();
       for (; it != person.end(); ++it)
       {
           // do something
       }
       return 0;
   }

   可以看到在定义迭代器变量 it 的时候代码是很长的，写起来就很麻烦，使用了auto之后，就变得清爽了不少：

   #include <map>
   int main()
   {
       map<int, string> person;
       // 代码简化
       for (auto it = person.begin(); it != person.end(); ++it)
       {
           // do something
       }
       return 0;
   }

2. 用于泛型编程，在使用模板的时候，很多情况下我们不知道变量应该定义为什么类型，比如下面的代码：

   #include <iostream>
   #include <string>
   using namespace std;
   
   class T1
   {
   public:
       static int get()
       {
           return 10;
       }
   };
   
   class T2
   {
   public:
       static string get()
       {
           return "hello, world";
       }
   };
   
   template <class A>
   void func(void)
   {
       auto val = A::get();
       cout << "val: " << val << endl;
   }
   
   int main()
   {
       func<T1>();
       func<T2>();
       return 0;
   }

   在这个例子中定义了泛型函数func，在函数中调用了类A的静态方法 get() ，这个函数的返回值是不能确定的，如果不使用auto，就需要再定义一个模板参数，并且在外部调用时手动指定get的返回值类型，具体代码如下：

   #include <iostream>
   #include <string>
   using namespace std;
   
   class T1
   {
   public:
       static int get()
       {
           return 0;
       }
   };
   
   class T2
   {
   public:
       static string get()
       {
           return "hello, world";
       }
   };
   
   template <class A, typename B>        // 添加了模板参数 B
   void func(void)
   {
       B val = A::get();
       cout << "val: " << val << endl;
   }
   
   int main()
   {
       func<T1, int>();                  // 手动指定返回值类型 -> int
       func<T2, string>();               // 手动指定返回值类型 -> string
       return 0;
   }

2. decltype

在某些情况下，不需要或者不能定义变量，但是希望得到某种类型，这时候就可以使用C++11提供的decltype关键字了，它的作用是在编译器编译的时候推导出一个表达式的类型，语法格式如下：

decltype (表达式)

decltype 是“declare type”的缩写，意思是“声明类型”。decltype的推导是在编译期完成的，它只是用于表达式类型的推导，并不会计算表达式的值。来看一组简单的例子：

int a = 10;
decltype(a) b = 99;                 // b -> int
decltype(a+3.14) c = 52.13;         // c -> double
decltype(a+b*c) d = 520.1314;       // d -> double

可以看到decltype推导的表达式可简单可复杂，在这一点上auto是做不到的，auto只能推导已初始化的变量类型。

2.1 推导规则

通过上面的例子我们初步感受了一下 decltype 的用法，但不要认为 decltype 就这么简单，在它简单的背后隐藏着很多的细节，下面分三个场景依次讨论一下：

1. 表达式为普通变量或者普通表达式或者类表达式，在这种情况下，使用decltype推导出的类型和表达式的类型是一致的。

   #include <iostream>
   #include <string>
   using namespace std;
   
   class Test
   {
   public:
       string text;
       static const int value = 110;
   };
   
   int main()
   {
       int x = 99;
       const int &y = x;
       decltype(x) a = x;
       decltype(y) b = x;
       decltype(Test::value) c = 0;
   
       Test t;
       decltype(t.text) d = "hello, world";
   
       return 0;
   }

   • 变量a被推导为 int类型
   • 变量b被推导为 const int &类型
   • 变量c被推导为 const int类型
   • 变量d被推导为 string类型

2. 表达式是函数调用，使用decltype推导出的类型和函数返回值一致。

   class Test{...};
   //函数声明
   int func_int();                 // 返回值为 int
   int& func_int_r();              // 返回值为 int&
   int&& func_int_rr();            // 返回值为 int&&
   
   const int func_cint();          // 返回值为 const int
   const int& func_cint_r();       // 返回值为 const int&
   const int&& func_cint_rr();     // 返回值为 const int&&
   
   const Test func_ctest();        // 返回值为 const Test
   
   //decltype类型推导
   int n = 100;
   decltype(func_int()) a = 0;		
   decltype(func_int_r()) b = n;	
   decltype(func_int_rr()) c = 0;	
   decltype(func_cint())  d = 0;	
   decltype(func_cint_r())  e = n;	
   decltype(func_cint_rr()) f = 0;	
   decltype(func_ctest()) g = Test();	

   • 变量a被推导为 int类型
   • 变量b被推导为 int&类型
   • 变量c被推导为 int&&类型
   • 变量d被推导为 int类型
   • 变量e被推导为 const int &类型
   • 变量f被推导为 const int &&类型
   • 变量g被推导为 const Test类型

   函数 func_cint() 返回的是一个纯右值（在表达式执行结束后不再存在的数据，也就是临时性的数据），对于纯右值而言，只有类类型可以携带const、volatile限定符，除此之外需要忽略掉这两个限定符，因此推导出的变量d的类型为 int 而不是 const int。

3. 表达式是一个左值，或者被括号( )包围，使用 decltype推导出的是表达式类型的引用（如果有const、volatile限定符不能忽略）。

   #include <iostream>
   #include <vector>
   using namespace std;
   
   class Test
   {
   public:
       int num;
   };
   
   int main() {
       const Test obj;
       //带有括号的表达式
       decltype(obj.num) a = 0;
       decltype((obj.num)) b = a;
       //加法表达式
       int n = 0, m = 0;
       decltype(n + m) c = 0;
       decltype(n = n + m) d = n;
       return 0;
   }

   • obj.num 为类的成员访问表达式，符合场景1，因此 a 的类型为int
   • obj.num 带有括号，符合场景3，因此b 的类型为 const int&。
   • n+m 得到一个右值，符合场景1，因此c的类型为 int
   • n=n+m 得到一个左值 n，符合场景3，因此d的类型为 int&

2.2 decltype的应用

关于decltype的应用多出现在泛型编程中。比如我们编写一个类模板，在里边添加遍历容器的函数，操作如下：

#include <list>
using namespace std;

template <class T>
class Container
{
public:
    void func(T& c)
    {
        for (m_it = c.begin(); m_it != c.end(); ++m_it)
        {
            cout << *m_it << " ";
        }
        cout << endl;
    }
private:
    ??? m_it;  // 这里不能确定迭代器类型
};

int main()
{
    const list<int> lst;
    Container<const list<int>> obj;
    obj.func(lst);
    return 0;
}

在程序的第17行出了问题，关于迭代器变量一共有两种类型：只读（T::const_iterator）和读写（T::iterator），有了decltype就可以完美的解决这个问题了，当 T 是一个 非 const 容器得到一个 T::iterator，当 T 是一个 const 容器时就会得到一个 T::const_iterator。

#include <list>
#include <iostream>
using namespace std;

template <class T>
class Container
{
public:
    void func(T& c)
    {
        for (m_it = c.begin(); m_it != c.end(); ++m_it)
        {
            cout << *m_it << " ";
        }
        cout << endl;
    }
private:
    decltype(T().begin()) m_it;  // 这里不能确定迭代器类型
};

int main()
{
    const list<int> lst{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9 };
    Container<const list<int>> obj;
    obj.func(lst);
    return 0;
}

decltype(T().begin())这种写法在vs2017/vs2019下测试可用完美运行。

3. 返回类型后置

在泛型编程中，可能需要通过参数的运算来得到返回值的类型，比如下面这个场景：

#include <iostream>
using namespace std;
// R->返回值类型, T->参数1类型, U->参数2类型
template <typename R, typename T, typename U>
R add(T t, U u)
{
    return t + u;
}

int main()
{
    int x = 520;
    double y = 13.14;
    // auto z = add<decltype(x + y), int, double>(x, y);
    auto z = add<decltype(x + y)>(x, y);	// 简化之后的写法
    cout << "z: " << z << endl;
    return 0;
}

关于返回值，从上面的代码可以推断出和表达式 t+u的结果类型是一样的，因此可以通过通过decltype进行推导，关于模板函数的参数t和u可以通过实参自动推导出来，因此在程序中就也可以不写。虽然通过上述方式问题被解决了，但是解决方案有点过于理想化，因为对于调用者来说，是不知道函数内部执行了什么样的处理动作的。

因此如果要想解决这个问题就得直接在 add 函数身上做文章，先来看第一种写法：

template <typename T, typename U>
decltype(t+u) add(T t, U u)
{
    return t + u;
}

当我们在编译器中将这几行代码改出来后就直接报错了，因此decltype中的 t 和 u 都是函数参数，直接这样写相当于变量还没有定义就直接用上了，这时候变量还不存在，有点心急了。

在C++11中增加了返回类型后置语法，说明白一点就是将decltype和auto结合起来完成返回类型的推导。其语法格式如下:

// 符号 -> 后边跟随的是函数返回值的类型
auto func(参数1, 参数2, ...) -> decltype(参数表达式)

通过对上述返回类型后置语法代码的分析，得到结论：auto 会追踪 decltype() 推导出的类型，因此上边的add()函数可以做如下的修改：

#include <iostream>
using namespace std;

template <typename T, typename U>
// 返回类型后置语法
auto add(T t, U u) -> decltype(t+u) 
{
    return t + u;
}

int main()
{
    int x = 520;
    double y = 13.14;
    // auto z = add<int, double>(x, y);
    auto z = add(x, y);		// 简化之后的写法
    cout << "z: " << z << endl;
    return 0;
}

为了进一步说明这个语法，我们再看一个例子：

#include <iostream>
using namespace std;

int& test(int &i)
{
    return i;
}

double test(double &d)
{
    d = d + 100;
    return d;
}

template <typename T>
// 返回类型后置语法
auto myFunc(T& t) -> decltype(test(t))
{
    return test(t);
}

int main()
{
    int x = 520;
    double y = 13.14;
    // auto z = myFunc<int>(x);
    auto z = myFunc(x);             // 简化之后的写法
    cout << "z: " << z << endl;

    // auto z = myFunc<double>(y);
    auto z1 = myFunc(y);            // 简化之后的写法
    cout << "z1: " << z1 << endl;
    return 0;
}

在这个例子中，通过decltype结合返回值后置语法很容易推导出来 test(t)函数可能出现的返回值类型，并将其作用到了函数myFunc()上。

// 输出结果
z: 520
z1: 113.14