# 08 | 易用性改进 I：自动类型推断和初始化

    你好，我是吴咏炜。

在之前的几讲里，我们已经多多少少接触到了一些 C++11 以来增加的新特性。下面的两讲，我会重点讲一下现代 C++（C++11/14/17）带来的易用性改进。

就像我们 [\[开篇词\]](https://time.geekbang.org/column/article/169177) 中说的，我们主要是介绍 C++ 里好用的特性，而非让你死记规则。因此，这里讲到的内容，有时是一种简化的说法。对于日常使用，本讲介绍的应该能满足大部分的需求。对于复杂用法和边角情况，你可能还是需要查阅参考资料里的明细规则。

## 自动类型推断

如果要挑选 C++11 带来的最重大改变的话，自动类型推断肯定排名前三。如果只看易用性或表达能力的改进的话，那它就是“舍我其谁”的第一了。

### auto

自动类型推断，顾名思义，就是编译器能够根据表达式的类型，自动决定变量的类型（从 C++14 开始，还有函数的返回类型），不再需要程序员手工声明（\[1\]）。但需要说明的是，`auto` 并没有改变 C++ 是静态类型语言这一事实——使用 `auto` 的变量（或函数返回值）的类型仍然是编译时就确定了，只不过编译器能自动帮你填充而已。

自动类型推断使得像下面这样累赘的表达式成为历史：

```c++
// vector<int> v;
for (vector<int>::iterator
       it = v.begin(),
       end = v.end();
     it != end; ++it) {
  // 循环体
}

```

现在我们可以直接写（当然，是不使用基于范围的 for 循环的情况）：

```c++
for (auto it = v.begin(), end = v.end();
     it != end; ++it) {
  // 循环体
}

```

不使用自动类型推断时，如果容器类型未知的话，我们还需要加上 `typename`（注意此处 const 引用还要求我们写 `const_iterator` 作为迭代器的类型）：

```c++
template <typename T>
void foo(const T& container)
{
  for (typename T::const_iterator
         it = v.begin(),
    …
}

```

如果 `begin` 返回的类型不是该类型的 `const_iterator` 嵌套类型的话，那实际上不用自动类型推断就没法表达了。这还真不是假设。比如，如果我们的遍历函数要求支持 C 数组的话，不用自动类型推断的话，就只能使用两个不同的重载：

```c++
template <typename T, std::size_t N>
void foo(const T (&a)[N])
{
  typedef const T* ptr_t;
  for (ptr_t it = a, end = a + N;
       it != end; ++it) {
    // 循环体
  }
}

template <typename T>
void foo(const T& c)
{
  for (typename T::const_iterator
         it = c.begin(),
         end = c.end();
       it != end; ++it) {
    // 循环体
  }
}

```

如果使用自动类型推断的话，再加上 C++11 提供的全局 `begin` 和 `end` 函数，上面的代码可以统一成：

```c++
template <typename T>
void foo(const T& c)
{
  using std::begin;
  using std::end;
  // 使用依赖参数查找（ADL）；见 [2]
  for (auto it = begin(c),
       ite = end(c);
       it != ite; ++it) {
    // 循环体
  }
}

```

从这个例子可见，自动类型推断不仅降低了代码的啰嗦程度，也提高了代码的抽象性，使我们可以用更少的代码写出通用的功能。

`auto` 实际使用的规则类似于函数模板参数的推导规则（\[3\]）。当你写了一个含 `auto` 的表达式时，相当于把 `auto` 替换为模板参数的结果。举具体的例子：

*   `auto a = expr;` 意味着用 `expr` 去匹配一个假想的 `template <typename T> f(T)` 函数模板，结果为值类型。
*   `const auto& a = expr;` 意味着用 `expr` 去匹配一个假想的 `template <typename T> f(const T&)` 函数模板，结果为常左值引用类型。
*   `auto&& a = expr;` 意味着用 `expr` 去匹配一个假想的 `template <typename T> f(T&&)` 函数模板，根据[\[第 3 讲\]](https://time.geekbang.org/column/article/169268) 中我们讨论过的转发引用和引用坍缩规则，结果是一个跟 `expr` 值类别相同的引用类型。

### decltype

`decltype` 的用途是获得一个表达式的类型，结果可以跟类型一样使用。它有两个基本用法：

*   `decltype(变量名)` 可以获得变量的精确类型。
*   `decltype(表达式)` （表达式不是变量名，但包括 `decltype((变量名))` 的情况）可以获得表达式的引用类型；除非表达式的结果是个纯右值（prvalue），此时结果仍然是值类型。

如果我们有 `int a;`，那么：

*   `decltype(a)` 会获得 `int`（因为 `a` 是 `int`）。
*   `decltype((a))` 会获得 `int&`（因为 `a` 是 lvalue）。
*   `decltype(a + a)` 会获得 `int`（因为 `a + a` 是 prvalue）。

### decltype(auto)

通常情况下，能写 `auto` 来声明变量肯定是件比较轻松的事。但这儿有个限制，你需要在写下 `auto` 时就决定你写下的是个引用类型还是值类型。根据类型推导规则，`auto` 是值类型，`auto&` 是左值引用类型，`auto&&` 是转发引用（可以是左值引用，也可以是右值引用）。使用 `auto` 不能通用地根据表达式类型来决定返回值的类型。不过，`decltype(expr)` 既可以是值类型，也可以是引用类型。因此，我们可以这么写：

```c++
decltype(expr) a = expr;

```

这种写法明显不能让人满意，特别是表达式很长的情况（而且，任何代码重复都是潜在的问题）。为此，C++14 引入了 `decltype(auto)` 语法。对于上面的情况，我们只需要像下面这样写就行了。

```c++
decltype(auto) a = expr;

```

这种代码主要用在通用的转发函数模板中：你可能根本不知道你调用的函数是不是会返回一个引用。这时使用这种语法就会方便很多。

### 函数返回值类型推断

从 C++14 开始，函数的返回值也可以用 `auto` 或 `decltype(auto)` 来声明了。同样的，用 `auto` 可以得到值类型，用 `auto&` 或 `auto&&` 可以得到引用类型；而用 `decltype(auto)` 可以根据返回表达式通用地决定返回的是值类型还是引用类型。

和这个形式相关的有另外一个语法，后置返回值类型声明。严格来说，这不算“类型推断”，不过我们也放在一起讲吧。它的形式是这个样子：

```c++
auto foo(参数) -> 返回值类型声明
{
  // 函数体
}

```

通常，在返回类型比较复杂、特别是返回类型跟参数类型有某种推导关系时会使用这种语法。以后我们会讲到一些实例。今天暂时不多讲了。

### 类模板的模板参数推导

如果你用过 `pair` 的话，一般都不会使用下面这种形式：

```c++
pair<int, int> pr{1, 42};

```

使用 `make_pair` 显然更容易一些：

```c++
auto pr = make_pair(1, 42);

```

这是因为函数模板有模板参数推导，使得调用者不必手工指定参数类型；但 C++17 之前的类模板却没有这个功能，也因而催生了像 `make_pair` 这样的工具函数。

在进入了 C++17 的世界后，这类函数变得不必要了。现在我们可以直接写：

```c++
pair pr{1, 42};

```

生活一下子变得简单多了！

在初次见到 `array` 时，我觉得它的主要缺点就是不能像 C 数组一样自动从初始化列表来推断数组的大小了：

```c++
int a1[] = {1, 2, 3};
array<int, 3> a2{1, 2, 3}; // 啰嗦
// array<int> a3{1, 2, 3}; 不行

```

这个问题在 C++17 里也是基本不存在的。虽然不能只提供一个模板参数，但你可以两个参数全都不写 🤣：

```c++
array a{1, 2, 3};
// 得到 array<int, 3>

```

这种自动推导机制，可以是编译器根据构造函数来自动生成：

```c++
template <typename T>
struct MyObj {
  MyObj(T value);
  …
};

MyObj obj1{string("hello")};
// 得到 MyObj<string>
MyObj obj2{"hello"};
// 得到 MyObj<const char*>

```

也可以是手工提供一个推导向导，达到自己需要的效果：

```c++
template <typename T>
struct MyObj {
  MyObj(T value);
  …
};

MyObj(const char*) -> MyObj<string>;

MyObj obj{"hello"};
// 得到 MyObj<string>

```

更多的技术细节请参见参考资料 \[4\]。

### 结构化绑定

在讲关联容器的时候我们有过这样一个例子：

```c++
multimap<string, int>::iterator
  lower, upper;
std::tie(lower, upper) =
  mmp.equal_range("four");

```

这个例子里，返回值是个 `pair`，我们希望用两个变量来接收数值，就不得不声明了两个变量，然后使用 `tie` 来接收结果。在 C++11/14 里，这里是没法使用 `auto` 的。好在 C++17 引入了一个新语法，解决了这个问题。目前，我们可以把上面的代码简化为：

```c++
auto [lower, upper] =
  mmp.equal_range("four");

```

这个语法使得我们可以用 `auto` 声明变量来分别获取 `pair` 或 `tuple` 返回值里各个子项，可以让代码的可读性更好。

关于这个语法的更多技术说明，请参见参考资料 \[5\]。

## 列表初始化

在 C++98 里，标准容器比起 C 风格数组至少有一个明显的劣势：不能在代码里方便地初始化容器的内容。比如，对于数组你可以写：

```c++
int a[] = {1, 2, 3, 4, 5};

```

而对于 `vector` 你却得写：

```c++
vector<int> v;
v.push(1);
v.push(2);
v.push(3);
v.push(4);
v.push(5);

```

这样真是又啰嗦，性能又差，显然无法让人满意。于是，C++ 标准委员会引入了列表初始化，允许以更简单的方式来初始化对象。现在我们初始化容器也可以和初始化数组一样简单了：

```c++
vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};

```

同样重要的是，这不是对标准库容器的特殊魔法，而是一个通用的、可以用于各种类的方法。从技术角度，编译器的魔法只是对 `{1, 2, 3}` 这样的表达式自动生成一个初始化列表，在这个例子里其类型是 `initializer_list<int>`。程序员只需要声明一个接受 `initializer_list` 的构造函数即可使用。从效率的角度，至少在动态对象的情况下，容器和数组也并无二致，都是通过拷贝（构造）进行初始化。

对于初始化列表在构造函数外的用法和更多的技术细节，请参见参考资料 \[6\]。

## 统一初始化

你可能已经注意到了，我在代码里使用了大括号 `{}` 来进行对象的初始化。这当然也是 C++11 引入的新语法，能够代替很多小括号 `()` 在变量初始化时使用。这被称为统一初始化（uniform initialization）。

大括号对于构造一个对象而言，最大的好处是避免了 C++ 里“最令人恼火的语法分析”（the most vexing parse）。我也遇到过。假设你有一个类，原型如下：

```c++
class utf8_to_wstring {
public:
  utf8_to_wstring(const char*);
  operator wchar_t*();
};

```

然后你在 Windows 下想使用这个类来帮助转换文件名，打开文件：

```c++
ifstream ifs(
  utf8_to_wstring(filename));

```

你随后就会发现，`ifs` 的行为无论如何都不正常。最后，要么你自己查到，要么有人告诉你，上面这个写法会被编译器认为是和下面的写法等价的：

```c++
ifstream ifs(
  utf8_to_wstring filename);

```

换句话说，编译器认为你是声明了一个叫 `ifs` 的函数，而不是对象！

如果你把任何一对小括号替换成大括号（或者都替换，如下），则可以避免此类问题：

```c++
ifstream ifs{
  utf8_to_wstring{filename}};

```

推而广之，你几乎可以在所有初始化对象的地方使用大括号而不是小括号。它还有一个附带的特点：当一个构造函数没有标成 `explicit` 时，你可以使用大括号不写类名来进行构造，如果调用上下文要求那类对象的话。如：

```c++
Obj getObj()
{
  return {1.0};
}

```

如果 Obj 类可以使用浮点数进行构造的话，上面的写法就是合法的。如果有无参数、多参数的构造函数，也可以使用这个形式。除了形式上的区别，它跟 `Obj(1.0)` 的主要区别是，后者可以用来调用 `Obj(int)`，而使用大括号时编译器会拒绝“窄”转换，不接受以 `{1.0}` 或 `Obj{1.0}` 的形式调用构造函数 `Obj(int)`。

这个语法主要的限制是，如果一个类既有使用初始化列表的构造函数，又有不使用初始化列表的构造函数，那编译器会**千方百计**地试图调用使用初始化列表的构造函数，导致各种意外。所以，如果给一个推荐的话，那就是：

*   如果一个类没有使用初始化列表的构造函数时，初始化该类对象可全部使用统一初始化语法。
*   如果一个类有使用初始化列表的构造函数时，则只应用在初始化列表构造的情况。

关于这个语法的更多详细用法讨论，请参见参考资料 \[7\]。

## 类数据成员的默认初始化

按照 C++98 的语法，数据成员可以在构造函数里进行初始化。这本身不是问题，但实践中，如果数据成员比较多、构造函数又有多个的话，逐个去初始化是个累赘，并且很容易在增加数据成员时漏掉在某个构造函数中进行初始化。为此，C++11 增加了一个语法，允许在声明数据成员时直接给予一个初始化表达式。这样，当且仅当构造函数的初始化列表中不包含该数据成员时，这个数据成员就会自动使用初始化表达式进行初始化。

这个句子有点长。我们看个例子：

```c++
class Complex {
public:
  Complex()
    : re_(0) , im_(0) {}
  Complex(float re)
    : re_(re), im_(0) {}
  Complex(float re, float im)
    : re_(re) , im_(im) {}
  …

private:
  float re_;
  float im_;
};

```

假设由于某种原因，我们不能使用缺省参数来简化构造函数，我们可以用什么方式来优化上面这个代码呢？

使用数据成员的默认初始化的话，我们就可以这么写：

```c++
class Complex {
public:
  Complex() {}
  Complex(float re) : re_(re) {}
  Complex(float re, float im)
    : re_(re) , im_(im) {}

private:
  float re_{0};
  float im_{0};
};

```

第一个构造函数没有任何初始化列表，所以类数据成员的初始化全部由默认初始化完成，`re_` 和 `im_` 都是 0。第二个构造函数提供了 `re_` 的初始化，`im_` 仍由默认初始化完成。第三个构造函数则完全不使用默认初始化。

## 内容小结

在本讲中，我们介绍了现代 C++ 引入的几个易用性改进：自动类型推断，初始化列表，及类数据成员的默认初始化。使用这些特性非常简单，可以立即简化你的 C++ 代码，而不会引入额外的开销。唯一的要求只是你不要再使用那些上古时代的老掉牙编译器了……

## 课后思考

你使用过现代 C++ 的这些特性了吗？如果还没有的话，哪些特性你打算在下一个项目里开始使用？

欢迎留言来分享你的看法。

## 参考资料

\[1\] cppreference.com, “Placeholder type specifiers”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/language/auto](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/auto)

\[1a\] cppreference.com, “占位符类型说明符”. [https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/auto](https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/auto)

\[2\] Wikipedia, “Argument-dependent name lookup”. [https://en.wikipedia.org/wiki/Argument-dependent\_name\_lookup](https://en.wikipedia.org/wiki/Argument-dependent_name_lookup)

\[2a\] 维基百科, “依赖于实参的名字查找”. [https://zh.wikipedia.org/zh-cn/依赖于实参的名字查找](https://zh.wikipedia.org/zh-cn/%E4%BE%9D%E8%B5%96%E4%BA%8E%E5%AE%9E%E5%8F%82%E7%9A%84%E5%90%8D%E5%AD%97%E6%9F%A5%E6%89%BE)

\[3\] cppreference.com, “Template argument deduction”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/language/template\_argument\_deduction](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/template_argument_deduction)

\[3a\] cppreference.com, “模板实参推导”. [https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/template\_argument\_deduction](https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/template_argument_deduction)

\[4\] cppreference.com, “Class template argument deduction”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/language/class\_template\_argument\_deduction](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/class_template_argument_deduction)

\[4a\] cppreference.com, “类模板实参推导”. [https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/class\_template\_argument\_deduction](https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/class_template_argument_deduction)

\[5\] cppreference.com, “Structured binding declaration”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/language/structured\_binding](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/structured_binding)

\[5a\] cppreference.com, “结构化绑定声明”. [https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/structured\_binding](https://zh.cppreference.com/w/cpp/language/structured_binding)

\[6\] cppreference.com, “std::initializer\_list”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/initializer\_list](https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/initializer_list)

\[6a\] cppreference.com, “std::initializer\_list”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/initializer\_list](https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/initializer_list)

\[7\] Scott Meyers, _Effective Modern C++_, item 7. O’Reilly Media, 2014. 有中文版（高博译，中国电力出版社，2018 年）