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# 08 | 易用性改进 I：自动类型推断和初始化
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你好，我是吴咏炜。
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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。
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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。
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## 自动类型推断
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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。
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### auto
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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。
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自动类型推断使得像下面这样累赘的表达式成为历史：
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```c++
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// vector<int> v;
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for (vector<int>::iterator
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it = v.begin(),
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end = v.end();
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it != end; ++it) {
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// 循环体
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}
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```
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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）：
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```c++
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for (auto it = v.begin(), end = v.end();
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it != end; ++it) {
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// 循环体
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}
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```
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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）：
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```c++
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template <typename T>
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void foo(const T& container)
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{
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for (typename T::const_iterator
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it = v.begin(),
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…
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}
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```
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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：
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```c++
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template <typename T, std::size_t N>
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void foo(const T (&a)[N])
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{
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typedef const T* ptr_t;
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for (ptr_t it = a, end = a + N;
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it != end; ++it) {
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// 循环体
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}
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}
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template <typename T>
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void foo(const T& c)
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{
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for (typename T::const_iterator
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it = c.begin(),
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end = c.end();
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it != end; ++it) {
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// 循环体
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}
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}
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```
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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：
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```c++
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template <typename T>
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void foo(const T& c)
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{
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using std::begin;
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using std::end;
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// 使用依赖参数查找（ADL）；见 [2]
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for (auto it = begin(c),
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ite = end(c);
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it != ite; ++it) {
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// 循环体
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}
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}
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```
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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。
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`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：
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* `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。
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* `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。
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* `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。
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### decltype
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`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：
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* `decltype(变量名)` 可以获得变量的精确类型。
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* `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。
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如果我们有 `int a;`，那么：
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* `decltype(a)` 会获得 `int`（因为 `a` 是 `int`）。
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* `decltype((a))` 会获得 `int&`（因为 `a` 是 lvalue）。
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* `decltype(a + a)` 会获得 `int`（因为 `a + a` 是 prvalue）。
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### decltype(auto)
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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：
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```c++
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decltype(expr) a = expr;
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```
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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。
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```c++
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decltype(auto) a = expr;
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```
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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。
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### 函数返回值类型推断
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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。
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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：
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```c++
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auto foo(参数) -> 返回值类型声明
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{
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// 函数体
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}
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```
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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。
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### 类模板的模板参数推导
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如果你用过 `pair` 的话，一般都不会使用下面这种形式：
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```c++
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pair<int, int> pr{1, 42};
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```
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使用 `make_pair` 显然更容易一些：
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```c++
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auto pr = make_pair(1, 42);
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```
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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。
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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：
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```c++
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pair pr{1, 42};
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```
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生活一下子变得简单多了！
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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：
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```c++
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int a1[] = {1, 2, 3};
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array<int, 3> a2{1, 2, 3}; // 啰嗦
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// array<int> a3{1, 2, 3}; 不行
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```
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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 🤣：
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```c++
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array a{1, 2, 3};
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// 得到 array<int, 3>
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```
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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：
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```c++
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template <typename T>
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struct MyObj {
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MyObj(T value);
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…
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};
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MyObj obj1{string("hello")};
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// 得到 MyObj<string>
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MyObj obj2{"hello"};
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// 得到 MyObj<const char*>
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```
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也可以是手工提供一个推导向导，达到自己需要的效果：
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```c++
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template <typename T>
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struct MyObj {
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MyObj(T value);
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|
…
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|
};
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MyObj(const char*) -> MyObj<string>;
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MyObj obj{"hello"};
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// 得到 MyObj<string>
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```
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更多的技术细节请参见参考资料 \[4\]。
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### 结构化绑定
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在讲关联容器的时候我们有过这样一个例子：
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```c++
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multimap<string, int>::iterator
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lower, upper;
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std::tie(lower, upper) =
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mmp.equal_range("four");
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```
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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：
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```c++
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auto [lower, upper] =
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mmp.equal_range("four");
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```
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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。
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关于这个语法的更多技术说明，请参见参考资料 \[5\]。
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## 列表初始化
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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：
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```c++
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int a[] = {1, 2, 3, 4, 5};
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```
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而对于 `vector` 你却得写：
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```c++
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vector<int> v;
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v.push(1);
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v.push(2);
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v.push(3);
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v.push(4);
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v.push(5);
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```
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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：
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```c++
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vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};
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```
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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。
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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 \[6\]。
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## 统一初始化
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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）。
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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：
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```c++
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class utf8_to_wstring {
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public:
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utf8_to_wstring(const char*);
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operator wchar_t*();
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};
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```
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然后你在 Windows 下想使用这个类来帮助转换文件名，打开文件：
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```c++
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ifstream ifs(
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utf8_to_wstring(filename));
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```
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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：
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```c++
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ifstream ifs(
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utf8_to_wstring filename);
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```
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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！
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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：
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```c++
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ifstream ifs{
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utf8_to_wstring{filename}};
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```
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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：
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```c++
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Obj getObj()
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{
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return {1.0};
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}
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```
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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)`。
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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：
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* 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。
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* 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。
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关于这个语法的更多详细用法讨论，请参见参考资料 \[7\]。
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## 类数据成员的默认初始化
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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。
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这个句子有点长。我们看个例子：
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```c++
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class Complex {
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public:
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|
Complex()
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: re_(0) , im_(0) {}
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Complex(float re)
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: re_(re), im_(0) {}
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Complex(float re, float im)
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: re_(re) , im_(im) {}
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…
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private:
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float re_;
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float im_;
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};
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```
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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？
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使用数据成员的默认初始化的话，我们就可以这么写：
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```c++
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class Complex {
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public:
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|
Complex() {}
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|
Complex(float re) : re_(re) {}
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|
Complex(float re, float im)
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|
: re_(re) , im_(im) {}
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private:
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float re_{0};
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|
float im_{0};
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|
};
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```
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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。
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## 内容小结
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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……
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## 课后思考
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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？
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欢迎留言来分享你的看法。
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## 参考资料
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\[1\] cppreference.com, “Placeholder type specifiers”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/language/auto](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/auto)
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|
\[1a\] 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)
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|
\[2\] Wikipedia, “Argument-dependent name lookup”. [https://en.wikipedia.org/wiki/Argument-dependent\_name\_lookup](https://en.wikipedia.org/wiki/Argument-dependent_name_lookup)
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|
\[2a\] 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)
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\[3\] 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)
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\[3a\] 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)
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\[4\] 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)
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\[4a\] 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)
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\[5\] cppreference.com, “Structured binding declaration”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/language/structured\_binding](https://en.cppreference.com/w/cpp/language/structured_binding)
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\[5a\] 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)
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\[6\] cppreference.com, “std::initializer\_list”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/initializer\_list](https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/initializer_list)
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\[6a\] cppreference.com, “std::initializer\_list”. [https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/initializer\_list](https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/initializer_list)
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\[7\] 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）
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