C++17 在业务代码中最好用的十个特性

2022-05-25 11:10:05 浏览数 (1)

作者：jinshang，腾讯 WXG 后台开发工程师

自从步入现代 C 时代开始，C 语言标准形成了三年一个版本的惯例：C 11 标志着现代 C 的开端，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。WXG 编译器升级到 gcc7.5 已有一段时间，笔者所在项目组也已经将全部代码升级到 C 17。在使用了 C 17 一年多之后，笔者总结了 C 17 在业务代码中最好用的十个特性。

注 1：本文只包含 wxg 的 gcc7.5 支持的特性，Execution Policy, File System等暂不支持的特性不包含在内。

注 2：本文只包含应用于业务逻辑的特性，Fold Expression, Mathematical Special Functions等适用于元编程和科学计算的特性并不包含。

笔者将这些特性大体上分为三类：语法糖、性能提升和类型系统。

语法糖

这里所说的语法糖，并不是严格意义上编程语言级别的语法糖，还包括一些能让代码更简洁更具有可读性的函数和库：

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:

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// 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){
  // ...
}

*: 严格来说，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

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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;
    }();
}

另外这条限制在 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。

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。

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// 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。

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// 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。

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// c   17
std::map<int, std::string> m;
std::mutex mx;
extern bool shared_flag; // guarded by mx

int demo()
{
    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; }
    if (int s; int count = ReadBytesWithSignal(&s)) { publish(count); raise(s); }
    if (const auto keywords = {"if", "for", "while"};
        std::ranges::any_of(keywords, [&tok](const char* kw) { return tok == kw; }))
    {
        std::cerr << "Token must not be a keywordn";
    }
}

性能提升

std::shared_mutex

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。以下是通过shared_mutex实现的线程安全计数器：

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// 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。
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// from https://stackoverflow.com/a/40129046
// author: Pavel Davydov

// string_view的remove_prefix比const std::string&的快了15倍
string remove_prefix(const string &str) {
  return str.substr(3);
}
string_view remove_prefix(string_view str) {
  str.remove_prefix(3);
  return str;
}

static void BM_remove_prefix_string(benchmark::State& state) {
  std::string example{"asfaghdfgsghasfasg3423rfgasdg"};
  while (state.KeepRunning()) {
    auto res = remove_prefix(example);
    // auto res = remove_prefix(string_view(example)); for string_view
    if (res != "aghdfgsghasfasg3423rfgasdg") {
      throw std::runtime_error("bad op");
    }
  }
}
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

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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。

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。

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。

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:

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std::variant<ReturnType, Err> func(const string& in) {
    ReturnType ret;
    if (in.size() == 0)
        return Err{"input is empty"};
    // ...
    return {ret};
}

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。

总结

以上是笔者在生产环境中最常用的 c 17 特性，除了本文描述的十个特性外，c 17 还添加了如lambda 值捕获*this, 钳夹函数 std::clamp(), 强制检查返回值[[nodiscard]]等非常易用的特性，本文篇幅有限不做赘述，欢迎有兴趣的读者自行探索。

c++ gcc 编程算法

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