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] 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：

// 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）：

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）：

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：

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：

template <typename T>
void foo(const T& c)
{
  using std::begin;
  using std::end;
  // 使用依赖参数查找（ADL）；见 [strong_begin][2][strong_end]
  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] 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：

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。

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：

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：

pair<int, int> pr{1, 42};

使用 make_pair 显然更容易一些：

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：

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：

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 🤣：

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：

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：

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：

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：

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：

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

而对于 vector 你却得写：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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：

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

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

[2] Wikipedia, “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

[3] cppreference.com, “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

[4] cppreference.com, “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

[5] cppreference.com, “Structured binding declaration”. 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

[6] cppreference.com, “std::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

[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）

精选留言（15）

robonix 👍（22） 💬（2）
老师，文中提到auto&& a = expr; 推断结果是一个跟 expr 值类别相同的引用类型。那么如果expr是左值引用或右值引用，对应的推断类型又是啥呢？
2020-01-06

中年男子 👍（14） 💬（1）
建议各位如果文章中有没看懂的地方，去看看老师在文末的参考资料，这些也都是好东西
2019-12-14

花晨少年 👍（8） 💬（1）
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。是说{1.0}这种形式只用在初始化列表构造的情况吗？什么是初始化列表构造的情况？不明白
2019-12-14

Geek_68d3d2 👍（6） 💬（1）
在使用模板的时候为什么T是容器的时候前面要加上一个typename?? 比如typename T::const_iterator it = v.begin()
2020-06-11

晚风·和煦 👍（4） 💬（1）
转发引用就是万能引用吗😁😂
2020-02-16

阿白 👍（2） 💬（3）
老师我在练习结构化绑定的时候发现一个问题，下面这个例子 int p = 1; char l = 1; int m = 1; std::tuple<float &, char &&, int> tpl(p, std::move(l), m); const auto&[a, b, c] = tpl; 最终a,b,c类型的推断结果为float & a, char && b, const int& c 引用类型的cosnt限定被忽略了,我去查资料查到 Cv-qualified references are ill-formed except when the cv-qualifiers are introduced through the use of a typedef or of a template type argument, in which case the cv-qualifiers are ignored. 我在测试的时候感觉很混乱，到底什么情况下会出现ill-formed的Cv-qualified references。
2021-10-29

Geek_b68b74 👍（2） 💬（1）
什么时候该用auto，什么时候该用decltype呢？隐隐知道怎么用，但不知道具体的规则是什么呢
2020-01-17

lyfei 👍（2） 💬（2）
老师您好，我对下面这两个疑惑有些不解： 1. 就是我在编译文稿中的推导向导的时候，提示错误：class template argument deduction failed: MyObj(const char*) -> MyObj<std::string>; 2. MyObj obj2{"hello"}; 这句话编译器自动推断出来的类型是：MyObj<char const*> 而不是文稿中注释的MyObj<const char*> 编译器：g++7.4.0
2019-12-17

怪兽 👍（1） 💬（1）
我孤陋寡闻了，C++的语法分析竟然会在隐式函数转换上失败，我试了一下，如果这样写就可以： ifstream ifs(utf8_to_wstring(filename).operator wchar_t*()); 另外，我在使用map容器的时候，总是first、second，我觉得应用结构化绑定更直观些，那么是否依旧可以使用&(引用)符号呢？例如auto&，这样就不会发生拷贝了吧： std::map<int, string> students; for (const auto& [id, name] : students) { cout << id << name << endl; }
2021-06-19

chang 👍（1） 💬（2）
老师好。有点没有搞懂，StrVec是一个自定义的存储std::string元素类型的动态数组： class StrVec { public: explicit StrVec(initializer_list<std::string> ls); }; 当上面这个构造函数指定为explicit时，StrVec sv={"hello", "world"}; 这样定义会报错；当不指定explicit时，这样定义ok，不知为啥？
2021-05-13

xl000 👍（1） 💬（2）
老师，decltype(auto) a = expr;这种写法，根auto a = expr;有什么区别呢？它能正确地推断出需要写auto& a = expr;的情况？
2020-04-02

EncodedStar 👍（1） 💬（4）
auto 用了不少，真的好用，其他的都没有真正用到。工作中的项目都不支持11，只能自己学习的时候使用了。
2019-12-26

lyfei 👍（1） 💬（1）
老师您好，就是您文稿中的代码： template <typename T>void foo(const T& c){ using std::begin; using std::end; // 使用依赖参数查找（ADL）；见 <span class="orange">[2] for (auto it = begin(c), ite = end(c); it != ite; ++it) { // 循环体 }} 我这里有个疑惑，就是这里哪一句可以体现出ADL呀？（ADL我理解的是：编译器根据传入的参数来推断出该命名空间中正确的函数）谢谢老师的回复
2019-12-17

皓首不倦 👍（1） 💬（3）
老师您好我记得以前自己对auto的推导进行学习的时候想看推导出的到底是什么类型需要用boost库的一些特殊api 才行 auto推出来到底什么时候带引用什么时候不带引用有时记不清楚希望能直接把auto推出来的类型名字包括带不带引用符号打出来看下请问下只用标准库的api 的话有什么方便的方法能把一个变量的完整类型信息打印出来看吗
2019-12-13

Geek_2824a2 👍（0） 💬（1）
老师能对“表达式”的概念做更深的说明吗？书里的“表达式是操作符和操作数的序列”的描述还是比较抽象
2024-10-13