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:

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auto 变量名 = 变量值;

根据上述语法,来列举一些简单的例子:

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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:

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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:

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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。

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    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

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    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

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    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

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    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:

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    #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:

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    #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:

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    #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:

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    #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:

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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:

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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。

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    #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。

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    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)

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    #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:

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#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)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

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#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:

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#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tu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:

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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:

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// 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:

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#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:

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#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。

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// 输出结果
z: 520
z1: 113.14