c++17好用的新特性总结

2022-05-25 16:13:12 浏览数 (1)

前言

从C 11开始，标志着c 的复兴和现代C 的开端。尽管有各种新语言层出不穷，但涉及性能和系统层面c 仍然是首选，地位无可撼动。新C 有一些新特性非常好用，本文对此进行了介绍，比如 auto、lambda、constexpr、tuple、智能指针等。

最近很火的鸿蒙系统框架代码，很多就是基于c 做的底层、运行时和应用框架封装。c 11后续又有11，14，17，20等众多新版本。哪个是主流？截至目前来说，c 17应该是新项目的首选。C 14在11的基础上查缺补漏，并未加入许多新特性，而C 17作为C 11后的第一个大版本，标志着现代C 逐渐走向成熟。

As a language, C has evolved a lot.

Of course this did not happen overnight. There was a time when C lacked dynamism. It was difficult to be fond of the language.

But things changed when the C standard committee decided to spin up the wheel.

Since 2011, C has emerged as a dynamic and ever-evolving language that a lot of people have been hoping for.

这里总结下C 17在业务代码中好用的几个特性。

c 17新特性有：

1、对auto表达式推导的规则进行了改变；

2、lambda表达式可以捕获“*this”；

3、新增inline变量，可以直接将全局变量定义在头文件中；

4、条件表达式中支持初始化语句；

5、枚举的直接列表初始化等等。

......

1.auto关键字

从c 11开始，auto关键字能够通过初始化器推导出变量的类型。在c 14中，auto关键字的能力进一步提升，能够通过return语句推导出函数的返回类型。 使用auto关键字能够提高编码效率，同时能够简化重构流程。但是，C 11中的auto推导，往往结果与预期的不同。

c 11 中为了支持统一初始化，引入了新的统一初始化语法，如下所示。

代码语言：javascript复制
// c  11

auto x3{ 1, 2 }; // std::initializer_list<int>

auto x4 = { 3 }; // decltype(x4) is std::initializer_list<int>

auto x5{ 3 };    // std::initializer_list<int>

这三种方式初始化的变量，最终类型推导的结果都是 std::initializer_list ， 而不是我们认为的int。 这是因为 当用于auto声明变量的表达式是{}括起来的，推导的型别就会变成 std::initializer_list。

在C 17中，对auto表达式推导的规则进行了改变。

代码语言：javascript复制
// c  17

auto x3{ 1, 2 }; // error: not a single element

auto x4 = { 3 }; // decltype(x4) is std::initializer_list<int>

auto x5{ 3 };    // decltype(x5) is int

 对比发现 auto x5{3}, 会直接将变量推导成 x5， 而 x3{1, 2} 这种方式也会编译失败。auto推导的规则变得更加直观。

2. lambda表达式

lambda也是c 11中引入的，在C 11中，lambda表达式只能用捕获this，this是当前对象的一个只读的引用。 在C 17中，可以捕获*this, *this是当前对象的一个拷贝，捕获当前对象的拷贝，能够确保当前对象释放后， lambda表达式能安全的调用this中的变量和方法。

3. inline变量

Inline 变量, inline变量可以让变量有多于一次的定义。C 17之前，我们定义全局变量， 总需要将变量定义在cpp文件中，然后在通过extern关键字来告诉编译器 这个变量已经在其他地方定义过了。 inline变量出现后，我们可以直接将全局变量定义在头文件中，而不用担心出现redefine的错误信息。

有兴趣的朋友可以看看下面两篇文章：

《c inline variable 内联变量 c 17》 《GCC，Clang 在C模式，较低优化等级下，链接器对内联函数报未定义错误，为什么？》

4.namespace嵌套

代码语言：javascript复制
namespace A {
    namespace B {
        namespace C {
            void func();
        }
    }
}

// c  17
namespace A::B::C {
    void func();
}

5.from_chars函数和to_chars

具体可参考《C 标准库里自带的数值类型和字符串互相转换函数》

代码语言：javascript复制
std::array<char, 3> str{"42"};
int result;
std::from_chars( str.data(), str.data() str.size(),result );
std::cout << result << std::endl;

// p是填充到str以后的最后一个迭代器
if(auto [p, ec] = std::to_chars(str.data(), str.data()   str.size(), 425);
   ec == std::errc()){
    if(p == str.end()){
        std::cout << "hello worldn";
    }
        std::cout << std::string_view(str.data(), p - str.data());
}
输出：
42
hello world
425

其他好用的新特性

结构化绑定

c 17最便利的语法糖当属结构化绑定。结构化绑定是指将array、tuple或struct的成员绑定到一组变量*上的语法，最常用的场景是在遍历map/unordered_map时不用再声明一个中间变量了:

代码语言：javascript复制
// pre c  17
for(const auto& kv: map){
  const auto& key = kv.first;
  const auto& value = kv.second;
  // ...
}

// c  17
for(const auto& [key, value]: map){
  // ...
}

需要注意的是，结构化绑定的结果并不是变量，c 标准称之为名字/别名，这也导致它们不允许被lambda捕获，但是gcc并没有遵循c 标准，所以以下代码在gcc可以编译，clang则编译不过。

代码语言：javascript复制
for(const auto& [key, value]: map){
    [&key, &value]{
        std::cout << key << ": " << value << std::endl;
    }();
}

在clang环境下，可以在lambda表达式捕获时显式引入一个引用变量通过编译：

代码语言：javascript复制
for(const auto& [key, value]: map){
    [&key = key, &value = value]{
        std::cout << key << ": " << value << std::endl;
    }();
}

但是这条限制在c 20中已经被删除，所以在c 20标准中gcc和clang都可以捕获结构化绑定的对象了。上述第一种写法在c 20里都是ok的。

std::tuple的隐式推导

在c 17以前，构造std::pair/std::tuple时必须指定数据类型或使用std::make_pair/std::make_tuple函数，c 17为std::pair/std::tuple新增了推导规则，可以不再显示指定类型。

代码语言：javascript复制
// pre c  17
std::pair<int, std::string> p1{3.14, "pi"s};
auto p1 = std::make_pair(3.14, "pi"s);

// c  17
std::pair p3{3.14, "pi"s};

if constexpr

if constexpr语句是编译期的if判断语句，在C 17以前做编译期的条件判断往往通过复杂SFINAE机制或模版重载实现，甚至嫌麻烦的时候直接放到运行时用if判断，造成性能损耗，if constexpr大大缓解了这个问题。比如我想实现一个函数将不同类型的输入转化为字符串，在c 17之前需要写三个函数去实现，而c 17只需要一个函数。

代码语言：javascript复制
// pre c  17
template <typename T>
std::string convert(T input){
    return std::to_string(input);
}

// const char*和string进行特殊处理
std::string convert(const char* input){
    return input;
}
std::string convert(std::string input){
    return input;
}
代码语言：javascript复制
// c  17
template <typename T>
std::string convert(T input) {
    if constexpr (std::is_same_v<T, const char*> ||
                  std::is_same_v<T, std::string>) {
        return input;
    } else {
        return std::to_string(input);
    }
}

if初始化语句

c 17支持在if的判断语句之前增加一个初始化语句，将仅用于if语句内部的变量声明在if内，有助于提升代码的可读性。且对于lock/iterator等涉及并发/RAII的类型更容易保证程序的正确性。

代码语言：javascript复制
if (auto it = m.find(10); it != m.end()) { return it->second.size(); }
if (char buf[10]; std::fgets(buf, 10, stdin)) { m[0]  = buf; }
if (std::lock_guard lock(mx); shared_flag) { unsafe_ping(); shared_flag = false; }

std::shared_mutex

读写锁，性能提升

关于与mutex的性能对比可以看这里《std::shared_mutex和std::mutex的性能对比(benchmark)》

shared_mutex是c 的原生读写锁实现，有共享和独占两种锁模式，适用于并发高的读场景下，通过reader之前共享锁来提升性能。在c 17之前，只能自己通过独占锁和条件变量自己实现读写锁或使用c 14加入的性能较差的std::shared_timed_mutex。

通过shared_mutex实现的线程安全计数器：

代码语言：javascript复制
// c  17
class ThreadSafeCounter {
 public:
  ThreadSafeCounter() = default;
 
  // Multiple threads/readers can read the counter's value at the same time.
  unsigned int get() const {
    std::shared_lock lock(mutex_);
    return value_;
  }
 
  // Only one thread/writer can increment/write the counter's value.
  unsigned int increment() {
    std::unique_lock lock(mutex_);
    return   value_;
  }
 
  // Only one thread/writer can reset/write the counter's value.
  void reset() {
    std::unique_lock lock(mutex_);
    value_ = 0;
  }
 
 private:
  mutable std::shared_mutex mutex_;
  unsigned int value_ = 0;
};

std::string_view

std::string_view顾名思义是字符串的“视图”，类成员变量包含两个部分：字符串指针和字符串长度，std::string_view涵盖了std::string的所有只读接口。std::string_view对字符串不具有所有权，且兼容std::string和const char*两种类型。c 17之前，我们处理只读字符串往往使用const std::string&，std::string有两点性能优势:

  1. 兼容两种字符串类型，减少类型转换和内存分配。如果传入的是明文字符串const char*, const std::string&需要进行一次内存分配，将字符串拷贝到堆上，而std::string_view则可以避免。
  2. 在处理子串时，std::string::substr也需要进行拷贝和分配内存，而std::string_view::substr则不需要，在处理大文件解析时，性能优势非常明显。

平时代码中可以大规模使用的一个特性。其实对于string的争论一直没有停止过，很多人认为string是字节串而不是字符串，因为string是可以改变的，这一切争论到C 17可以停止了。string_view的substr与构造时间复杂度为O(1)，且不会产生拷贝，因为substr只是一个指针操作。

可以参考如下两篇文章： 《C 17,使用 string_view 来避免复制》 《C 17 string_view的高效以及陷阱》

std::file_system

具体可参考《c filesystem》

其实模子是boost的file_system，最早2003年就出来了，因为是跨平台的，所以可以说是非常舒服了。

代码语言：javascript复制
namespace fs = std::filesystem;
fs::path pathToShow("/home/lzl/Desktop/execise");
cout << "exists() = " << fs::exists(pathToShow) << "n"
<< "root_name() = " << pathToShow.root_name() << "n"
<< "root_path() = " << pathToShow.root_path() << "n";

std::map/unordered_map try_emplace 

在向std::map/unordered_map中插入元素时，我们往往使用emplace，emplace的操作是如果元素key不存在，则插入该元素，否则不插入。但是在元素已存在时，emplace仍会构造一次待插入的元素，在判断不需要插入后，立即将该元素析构，因此进行了一次多余构造和析构操作。c 17加入了try_emplace，避免了这个问题。同时try_emplace在参数列表中将key和value分开，因此进行原地构造的语法比emplace更加简洁。

代码语言：javascript复制
std::map<std::string, std::string> m;
// emplace的原地构造需要使用std::piecewise_construct，因为是直接插入std::pair<key, value>
m.emplace(std::piecewise_construct,
           std::forward_as_tuple("c"),
           std::forward_as_tuple(10, 'c'));

// try_emplace可以直接原地构造，因为参数列表中key和value是分开的
m.try_emplace("c", 10, 'c')

同时，c 17还给std::map/unordered_map加入了insert_or_assign函数，可以更方便地实现插入或修改语义。

std::apply

相当于把容器的值当做函数的输入。

代码语言：javascript复制
int add_ten(int first, int second) { return first   second; }
auto add_ten_lambda = [](auto first, auto second) { return first   second; };

std::cout << std::apply(add_ten, std::pair(1, 2)) << 'n';
//std::cout << add(std::pair(1, 2)) << "n"; // error
std::cout << std::apply(add_ten_lambda, std::tuple(2.2f, 3.0f)) << 'n';

输出：
3
5.2

类型系统

c 17进一步完备了c 的类型系统，终于加入了众望所归的类型擦除容器(Type Erasure)和代数数据类型(Algebraic Data Type)。

std::any

std::any是一个可以存储任何可拷贝类型的容器，C语言中通常使用void*实现类似的功能，与void*相比，std::any具有两点优势：

  1. std::any更安全：在类型T被转换成void*时，T的类型信息就已经丢失了，在转换回具体类型时程序无法判断当前的void*的类型是否真的是T，容易带来安全隐患。而std::any会存储类型信息，std::any_cast是一个安全的类型转换。
  2. std::any管理了对象的生命周期，在std::any析构时，会将存储的对象析构，而void*则需要手动管理内存。

std::any应当很少是程序员的第一选择，在已知类型的情况下，std::optional, std::variant和继承都是比它更高效、更合理的选择。只有当对类型完全未知的情况下，才应当使用std::any，比如动态类型文本的解析或者业务逻辑的中间层信息传递。

具体可查看这篇文章《C 17之std::any》

std::optional

std::optional<T>代表一个可能存在的T值，对应Haskell中的Maybe和Rust/OCaml中的option，实际上是一种Sum Type。常用于可能失败的函数的返回值中，比如工厂函数。在C 17之前，往往使用T*作为返回值，如果为nullptr则代表函数失败，否则T*指向了真正的返回值。但是这种写法模糊了所有权，函数的调用方无法确定是否应该接管T*的内存管理，而且T*可能为空的假设，如果忘记检查则会有SegFault的风险。

具体可参考《C 干货系列——C 17新特性之std::optional》

代码语言：javascript复制
// pre c  17
ReturnType* func(const std::string& in) {
    ReturnType* ret = new ReturnType;
    if (in.size() == 0)
        return nullptr;
    // ...
    return ret;
}

// c  17 更安全和直观
std::optional<ReturnType> func(const string& in) {
    ReturnType ret;
    if (in.size() == 0)
        return nullopt;
    // ...
    return ret;
}

std::variant

std::variant<T, U, ...>代表一个多类型的容器，容器中的值是制定类型的一种，是通用的Sum Type，对应Rust的enum。是一种类型安全的union，所以也叫做tagged union。与union相比有两点优势：

  1. 可以存储复杂类型，而union只能直接存储基础的POD类型，对于如std::vector和std::string就等复杂类型则需要用户手动管理内存。
  2. 类型安全，variant存储了内部的类型信息，所以可以进行安全的类型转换，c 17之前往往通过union enum来实现相同功能。

通过使用std::variant<T, Err>，用户可以实现类似Rust的std::result，即在函数执行成功时返回结果，在失败时返回错误信息，上文的例子则可以改成。

需要注意的是，c 17只提供了一个库级别的variant实现，没有对应的模式匹配(Pattern Matching)机制，而最接近的std::visit又缺少编译器的优化支持，所以在c 17中std::variant并不好用，跟Rust和函数式语言中出神入化的Sum Type还相去甚远，但是已经有许多围绕std::variant的提案被提交给c 委员会探讨，包括模式匹配，std::expected等等。 

总结一下，c 17新增的三种类型给c 带来了更现代更安全的类型系统，它们对应的使用场景是：

  • std::any适用于之前使用void*作为通用类型的场景。
  • std::optional适用于之前使用nullptr代表失败状态的场景。
  • std::variant适用于之前使用union的场景。

并行算法库

这可以说是C 17最重要的几个特性之一，这个特性为几乎所有标准库函数加上一个执行策略参数，可以让使用者选择并行还是串行，这不仅包括七个新的算法，还有我们熟知的sort等。

具体可参考： 《[译]C 17,标准库新引入的并行算法 》 《STL并行算法库》

其他特性：

除此之外，C 17还增加了一些其他特性，文中没有一一列出。

  • bool 表达式不能用 ， – 这两个自增（减）运算符了
  • c 17中异常已经成为了类型系统的一部分，
  • 枚举的直接列表初始化
  • 结构化绑定
  • constexpr if 表达式
  • map支持merge和extract

 引用

c 17新特性有哪些-C#.Net教程-PHP中文网

C 17新特性_peanut_wu的博客-CSDN博客_c 17

C 17特性一览_李兆龙的博客的博客-CSDN博客_c 17

c 17新特性_每个开发者都应该了解的一些 C 特性_weixin_39527078的博客-CSDN博客

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