【C++】C++14的那些新特性

学习C++14的那些新特性

为了方便指定使用C++14来编译代码，本文的测试都是在linux下进行的，g++版本如下

1 2	$ g++ --version g++ (GCC) 8.5.0 20210514 (Red Hat 8.5.0-4)

如果你和我一样，也是使用VSC来链接linux进行代码编写，那一定要记得修改C++插件里面的CPP版本，否则默认以C++11来进行语法高亮的话，会把C++11不支持的语法标红，影响我们学习

本文参考 https://zhuanlan.zhihu.com/p/588826142 进行学习;
官方文档 https://zh.cppreference.com/w/cpp/14

1.lambda新特性

C++14给lambda表达式添加了两个新功能

参数推断（auto）
参数初始化后捕获（可以在[]对某个新参数进行赋值）

先来复习一下C++11中学习的lambda捕获的基本方式

[val]：表示值传递方式捕捉变量val
[=]：表示值传递方式捕获所有父作用域中的变量(包括this)
[&val]：表示引用传递捕捉变量val
[&]：表示引用传递捕捉所有父作用域中的变量(包括this)
[this]：表示值传递方式捕捉当前的this指针

在C++14中，新增的是下面的这种情况

int a = 30;
// [] 中赋值了一个参数
// () 中可以使用auto关键字来推断参数类型
auto func = [x = 3](auto y) {return x + y; };
cout << func(a) << endl;

运行测试，可以看到成功输出了结果

$ make
g++ test.cpp -o test -std=c++14
$ ./test
33

修改一下类型，也能正常调用

double a = 30.2;
auto func = [x = 3](auto y)
{ return x + y; };
cout << func(a) << endl;

1 2	$ ./test 33.2

如果想将赋值参数和原本的捕获方式一起使用，则需要将赋值参数放在[]的最后面

void test_lambda2()
{
    int a = 10, b = 20;
    int c = 1, d = 3, e = 5;
    // 赋值的参数要放在[]的最后面，捕获方式放在前面
    auto func6 = [=, f = 30, g = 40]
    {
        return (a + b + c + d + e + f + g);
    };
    cout << func6() << endl;
}

1 2	$ ./test 109

初始化捕获的好处是可以支持移动捕获了；不然在C++11中，lambda就只能使用赋值捕获和引用捕获

1
2
3

std::unique_ptr<Item> item(new Item());
// std::move改为右值进行赋值后捕获
auto func = [m = std::move(item)] { /* do something */ };

这个新特性的提出，也让lambda成功有了和bind比拼的能力。在C++11中，bind的优势就是在于移动捕获的支持；如今lambda也有了这份能力了，我们可以更灵活地根据场景选用lambda或者bind，而不是只能使用bind了。

2.变量模板

2.1 示例

看清楚这个名字啊！是变量模板，可不是什么函数模板哈！

template<class T>
T pi = T(3.1415926535897932385L); // variable template
// 数字最后的L代表这是一个长浮点型
void test_value_template()
{
    cout << pi<double> << endl;
    cout << pi<float> << endl;
    cout << pi<int> << endl;
}

如上就是一个最最最简单的变量模板，我们在传入对应的类型后，他就会转成我们需要的类型

$ make
g++ test.cpp -o test -std=c++14
$ ./test
3.14159
3.14159
3

2.2 类中使用

当你需要在类中使用模板变量的时候，这个变量必须定义为static；

因为它是模板，我们还可以接用模板本身就有的特性，将这个模板针对某一个类型进行特化

struct Limits
{
    template<typename T>
    static const T min; // 声明静态成员模板
};
 
template<typename T>
const T Limits::min = { }; // 定义静态成员模板，全部使用默认值

// 下面三个是模板变量的特化
template<>
const float Limits::min<float> = 4.5;
template<>
const double Limits::min<double> = 5.5;
template<>
const std::string Limits::min<std::string> = "hello";

int main()
{
    std::cout << Limits::min<int> << std::endl;
    std::cout << Limits::min<float> << std::endl;
    std::cout << Limits::min<double> << std::endl;
    std::cout << Limits::min<std::string> << std::endl;
    return 0;
}

$ ./test
0
4.5
5.5
hello

2.3 和类型转换的区别

这里我又直接定义了一个变量，使用static_cast直接转换变量，看看结果会不会有什么区别

// 数字最后的L代表这是一个长浮点型
template<class T>
T pi = T(3.1415926535897932385L); // 变量模板

long double lpi = 3.1415926535897932385L; // 直接定义长浮点型

void test_value_template()
{
    cout << pi<double> << endl;
    cout << pi<float> << endl;
    cout << pi<int> << endl;

    cout << " ----- \n";

    cout << static_cast<double>(lpi) << endl;
    cout << static_cast<float>(lpi) << endl;
    cout << static_cast<int>(lpi) << endl;
}

看上去二者的结果完全相同，那么既然可以直接使用变量类型转换，为什么还要新增一个模板变量呢？

$ ./test
3.14159
3.14159
3
 ----- 
3.14159
3.14159
3

以下内容来自GPT，我觉得它说的很对

定义一个变量并使用数据转换（类型转换）是一种常见的编程方式，但与变量模板有一些区别：

通用性： 变量模板允许你通过模板参数来生成多个不同类型的变量，从而在不同的上下文中使用。这使得代码更具通用性和可扩展性，因为你可以为多个类型生成相应的变量。相比之下，直接定义变量并使用数据转换通常只适用于特定的一种数据类型。
模板化： 变量模板是一种模板化的方式来生成变量，它遵循 C++ 的模板机制，这意味着你可以使用模板特化、部分特化等技术来定制化生成的变量，以满足不同的需求。而使用数据转换时，你必须显式地执行类型转换，这可能会在代码中引入不必要的重复。
编译时计算： 变量模板通常用于在编译时生成值，因此可以在编译阶段进行类型检查和计算。这有助于提高代码的性能和安全性。而数据转换可能在运行时进行，可能会引入一些运行时开销和类型错误的风险。
抽象性： 变量模板可以在更高的抽象层次上操作数据，使代码更具表达力和可读性。它允许你以更自然的方式描述某个值与特定类型之间的关系，而不必显式进行类型转换。

总之，变量模板提供了一种更灵活、通用和模板化的方式来生成变量，适用于需要在不同类型上工作的情况。当你需要为多个类型生成特定的变量或值时，变量模板是一种更优雅和强大的选择。

3.constexpr限制放宽

在C++11中被引入的constexpr，可以让编译器在编译程序的期间，就将一部分工作完成，不必等到运行期间再做；在C++11中，constexpr的限制很严格，这导致它并不好用：

constexpr修饰变量，要求变量必须可以在编译器推导出来
constexpr修饰函数（返回值），函数内除了可以包含using和typedef指令以及static_asssert断言外，只能包含一条return语句
constexpr同时可以修饰构造函数，但也会要求使用这个构造函数的时候，可以在编译器就把相关的内容全推导出来

以下是一个比较基础的C++11中的用例，给该函数设置了constexpr关键字后，该函数就可以在编译期间被计算出结果，再用static_assert在编译期间断言结果是否正确；

constexpr int factorial(int n) {
    return (n <= 1) ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

int test_constexpr1() {
    constexpr int result = factorial(5); // 编译时计算阶乘
    static_assert(result == 120, "Factorial of 5 should be 120"); // 编译时断言
    cout << result << endl;
    return 0;
}

如果在C++11中的constexpr函数内包含其他语句，编译的时候会报错，翻译过来是该函数内部不是一个return返回语句

$ g++ test.cpp -o test -std=c++11
test.cpp: In function ‘constexpr int FuncNew(int)’:
test.cpp:96:1: error: body of ‘constexpr’ function ‘constexpr int FuncNew(int)’ not a return-statement
 }
 ^

c++14中，对constexpr的限制放宽了，允许使用循环、if、switch等等语句，但是主旨还是一样的，需要在编译期间就可以计算出全部内容；限制放宽之后，这个关键字便可以更灵活的使用了。

// 计算前n项和，C++11
constexpr int Func(int n)
{
    return n > 0 ? Func(n - 1) + n : 0;
}
// 计算前N项和，C++14
constexpr int FuncNew(int n)
{
    if (n <= 0)
    {
        return 0;
    }

    int sum = 0;
    for (int i = 0; i < n; ++i)
    {
        sum += i;
    }
    return sum;
}

4.二进制变量

可以使用0b或者0B开头直接定义二进制变量。

int main()
{    
    int bit1 = 0b1001;
    int bit2 = 0B1011;
    std::cout << bit1 << " " << bit2 << std::endl;
}

运行结果如下

1
2
3

$ g++ test.cpp -o test -std=c++14
$ ./test
9 11

我在测试中发现，当我用C++11编译此代码的时候，似乎也没有引发编译错误，难道说0b是在C++11里面就支持了吗？

1
2
3

$ g++ test.cpp -o test -std=c++11
$ ./test
9 11

GPT给出了0B这种二进制变量是在C++14中引入的确认，并提到了为什么会出现上述情况；虽然C++11看上去编译和运行都没有问题，但我们还是得遵循版本，选用正确的版本进行编译，才能根本上避免错误

C++标准通常是向后兼容的，这意味着较新版本的编译器通常会继续支持较旧版本的标准。例如，如果你在使用支持C++11标准的编译器（如g++）时，使用了C++14或更高版本的特性，通常不会引发编译错误，因为这些编译器会尽量向后兼容，以保持现有代码的可编译性。
在你提到的情况下，即使你使用g++编译器以C++11标准编译，它仍然可以理解和接受C++14引入的二进制字面量特性。这是编译器开发者的一种设计选择，以便使代码的迁移更加平滑。但是，为了遵循最佳实践和保持代码的可读性，当你在使用特定C++标准的功能时，最好将编译器选项设置为该标准的版本，以确保代码的可移植性。

5.数字分隔符

在日常生活中使用数字的时候，为了更好的可读性，我们会以3个数组或者4个数组为分割，打一个点

1 2	1,0000,0000 一亿 100,000,000

C++14中，也支持了这样的打点，以方便我们更好的看出大数字的位数

void test_num_div()
{
    long long big_num1 = 100000000;
    long long big_num2 = 100'000'000;
    long long big_num3 = 1'0000'0000;
    cout << big_num1 << endl;
    cout << big_num2 << endl;
    cout << big_num3 << endl;
}

需要注意，这样的操作不会对数字本身有任何影响

在C++11中这种语法是不支持的

$ g++ test.cpp -o test -std=c++11
test.cpp:116:29: warning: multi-character character constant [-Wmultichar]
     long long big_num2 = 100'000'000;
                             ^~~~~
test.cpp:117:27: warning: multi-character character constant [-Wmultichar]
     long long big_num3 = 1'0000'0000;
                           ^~~~~~
test.cpp: In function ‘void test_num_div()’:
test.cpp:116:29: error: expected ‘,’ or ‘;’ before '\x303030'
     long long big_num2 = 100'000'000;
                             ^~~~~
test.cpp:117:27: error: expected ‘,’ or ‘;’ before '\x30303030'
     long long big_num3 = 1'0000'0000;
                           ^~~~~~

6.返回值auto推导

c++14新增了函数返回值的推导，当返回值声明为auto时，编译器会根据你的return语句推导出你的返回值类型。

template<typename T>
auto Func(T x, T y)
{
    return x + y;
}

int main()
{
    std::cout << Func(3, 4) << std::endl; // 返回值推导为int
    std::cout << Func(3.1, 4.2) << std::endl; // 返回值推导为double
    return 0;
}

$ make
g++ test.cpp -o test -std=c++14
$ ./test
7
7.3

这个推导是有限制条件的

1、如果有多个推导语句，那么多个推导的结果必须一致

// 编译报错，第一个return推导为int，第二个return推导为double，两次推导结果不一致
auto Func(int flag)
{
    if (flag < 0)
    {
        return 1;
    }
    else
    {
        return 3.14;
    }
}

2、如果没有return或者return为void类型，那么auto会被推导为void。

1
2
3

auto f() {}              // returns void
auto g() { return f(); } // returns void
auto* x() {}             // error: cannot deduce auto* from void

3、一旦在函数中看到return语句，从该语句推导出的返回类型就可以在函数的其余部分中使用，包括在其他return语句中。

auto Sum(int i)
{
    if (i <= 1)
    {
        return i; // 返回值被推导为int
    }
    else
    {
        return Sum(i - 1) + i; // sum的返回值已经被推导出来了，所以这里是没有问题的
    }
}

但是如果还没被推导出来，那就不能使用。

auto Sum(int i)
{
    if (i > 1)
    {
        return Sum(i - 1) + i;
    }
    else
    {
        return i;
    }
}

// 编译报错，因为Sum的返回值还没有被推导出来，所以还不能使用
error: use of ‘auto Sum(int)’ before deduction of ‘auto’

4、不能推导初始化列表。

auto func () { return {1, 2, 3}; }

// 编译报错
error: returning initializer list

5、虚函数不能使用返回值推导

struct Item
{
    virtual auto Func();
};

// 编译报错
error: virtual function cannot have deduced return type

7.`[[deprecated]]`标记

这个标记的作用是告知其他人，某个函数被弃用了，不允许继续调用该函数；该字段的好处在于，如果一个方法已经在后续不需要使用了，你可以先给他加上这个关键字，然后再进行其他的代码检查，确认无误后，再将这个函数整体清除；

别人也不需要去检查函数的实现，因为在编译过程中编译器就会告诉你这个函数被弃用；但是编译依旧是成功的！

[[deprecated]]
int test_return_auto()
{
    std::cout << Func(3, 4) << std::endl; // 返回值推导为int
    std::cout << Func(3.1, 4.2) << std::endl; // 返回值推导为double
    return 0;
}

int main()
{
    test_return_auto();

    return 0;
}

在编译的时候，编译器会警告你，这个函数已经被弃用了；但这里只是警告，编译依旧成功了，所以最终还是需要程序猿去瞅一眼各个警告到底是什么意思。

$ make
g++ test.cpp -o test -std=c++14
test.cpp: In function ‘int main()’:
test.cpp:145:22: warning: ‘int test_return_auto()’ is deprecated [-Wdeprecated-declarations]
     test_return_auto();
                      ^
test.cpp:132:5: note: declared here
 int test_return_auto()
     ^~~~~~~~~~~~~~~~
test.cpp:145:22: warning: ‘int test_return_auto()’ is deprecated [-Wdeprecated-declarations]
     test_return_auto();
                      ^
test.cpp:132:5: note: declared here
 int test_return_auto()
     ^~~~~~~~~~~~~~~~

std库的新特性

以下是STD库的新增内容！

8.std::make_unique

这个东西在cplusplus网站上找不到释义，所以就去cpp的官网上找了

https://zh.cppreference.com/w/cpp/memory/unique_ptr/make_unique

该函数定义在<memory>头文件中

template< class T, class... Args >
unique_ptr<T> make_unique( Args&&... args );
//(1)	(C++14 起) (仅对非数组类型)
template< class T >
unique_ptr<T> make_unique( std::size_t size );
//(2)	(C++14 起) (仅对未知边界数组)
template< class T, class... Args >
/* unspecified */ make_unique( Args&&... args ) = delete;
//(3)	(C++14 起) (仅对已知边界数组)

作用是构造 T 类型对象并将其包装进 std::unique_ptr；

参数	说明
args	将要构造的 `T` 实例所用的参数列表。
size	要构造的数组大小

构造非数组类型 T 对象。传递参数 args 给 T 的构造函数。此重载只有在 T 不是数组类型时才会参与重载决议。函数等价于：

1	unique_ptr<T>(new T(std::forward<Args>(args)...))

构造拥有动态大小的数组。值初始化数组元素。此重载只有在 T 是未知边界数组时才会参与重载决议。函数等价于：

1	unique_ptr<T>(new std::remove_extent_t<T>[size]())

使用示例

class test_class{
public:
    test_class(int a=-1):_a(a){}
    int _a;
};

int main()
{
    std::unique_ptr<test_class> pt = std::make_unique<test_class>(3);
    cout << pt->_a << endl;

    return 0;
}

$ make
g++ test.cpp -o test -std=c++14
$ ./test
3

9.std::shared_timed_mutex与std::shared_lock

c++11引入了多线程线程的一些库，但是是没有读写锁的，因此在c++14引入了读写锁的相关实现（头文件shared_mutex），其实c++14读写锁也还不够完善，直到c++17读写锁这块才算是完备起来。

std::shared_timed_mutex是带超时的读写锁对象，接口还算比较简洁易懂，和之前接触过的其他锁基本一致；内部成员中lock()是写锁，lock_shared()是读锁;

https://zh.cppreference.com/w/cpp/thread/shared_timed_mutex

std::shared_lock是加锁的RAII实现，即构造时加锁，析构时解锁；我们使用shared_lock/unique_lock来从shared_timed_mutex中获取锁的时候，就会自动获取读锁和写锁；

std::shared_timed_mutex mutex;

void readOperation() {
    // 读锁是多人可以获取的，所以要用shared_lock (读锁)
    std::shared_lock<std::shared_timed_mutex> lock(mutex);
    std::cout << "Read operation: " << sharedResource << std::endl;
}

void writeOperation() {
    // 写锁互斥获取，用unique_lock (写锁)
    std::unique_lock<std::shared_timed_mutex> lock(mutex);
    sharedResource++;
    std::cout << "Write operation: " << sharedResource << std::endl;
}

10.std::exchange

c++14新增了一个接口std::exchange（头文件utility），其实这个也并不算是新增的，因为这个接口其实在c++11的时候就有了，只不过在c++11中作为一个内部函数，不暴露给用户使用，在c++14中才把它暴露出来给用户使用。使用方法也很简单。

int main()
{
    std::string s1 = "hello";
    std::string s2 = "world";
    std::exchange(s1, s2);
    std::cout << s1 << " " << s2 << std::endl;
    return 0;
}

// 输出结果
world world

我们可以看到，exchange会把第二个值赋值给第一个值，但是不会改变第二个值。我们来看下它的实现吧。

/// Assign @p __new_val to @p __obj and return its previous value.
 
template <typename _Tp, typename _Up = _Tp>
  _GLIBCXX20_CONSTEXPR
  inline _Tp
  
  exchange(_Tp& __obj, _Up&& __new_val)
  noexcept(__and_<is_nothrow_move_constructible<_Tp>,
    is_nothrow_assignable<_Tp&, _Up>>::value)
  { return std::__exchange(__obj, std::forward<_Up>(__new_val)); }  


// C++11 version of std::exchange for internal use.
template <typename _Tp, typename _Up = _Tp>
  _GLIBCXX20_CONSTEXPR
  inline _Tp
  __exchange(_Tp& __obj, _Up&& __new_val)
  {
    _Tp __old_val = std::move(__obj);
    __obj = std::forward<_Up>(__new_val);
    return __old_val;
  }

通过注释我们可以明白含义，它的作用是把第二个值赋值给第一个值，同时返回第一个值的旧值。

除此之外，我们这里说明一个关键的点。exchange的第二个参数是万能引用，所以说他是既可以接收左值，也可以接收右值的，所以我们可以这样来使用。

int main()
{
    std::string s1 = "hello";
    // 第二个值是纯右值
    std::exchange(s1, "world");
    std::cout << s1 << std::endl;

    std::string s2 = "hello world";
    // 第二个值通过move语义转成右值
    std::exchange(s1, std::move(s2));
    std::cout << s1 << " | " << s2 << std::endl;
    return 0;
}

// 输出结果，注意这里s2为空字符串，因为s2的东西已经被移动拷贝给s1了
world
hello world |

11.std::integer_sequence

类模板 std::integer_sequence 表示一个编译时的整数序列。在用作函数模板的实参时，能推导参数包 Ints 并将它用于包展开。

https://zh.cppreference.com/w/cpp/utility/integer_sequence

这个实在是太难懂了，搞不明白是干嘛的，放弃了😥

12.std::quoted

https://zh.cppreference.com/w/cpp/io/manip/quoted

该函数模板位于 <iomanip> 头文件中，用于在输入输出流中处理被引号包围的字符串。它通常用于处理 CSV（逗号分隔值）文件或其他格式，其中字段被引号括起来以处理包含特殊字符（如逗号、换行符等）的情况。

对于cout而言，quoted会将字符串包围在双引号中输出

int test_quorted() {
    std::string data = "Hello, \"world\"\n";
    
    // 输出流中使用 std::quoted，会将字符串在"内包围输出
    std::cout << std::quoted(data) << std::endl;
    return 0;
}

1
2
3

$ ./test
"Hello, \"world\"
"

以下是官方给的一个示例

#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <sstream>
 
int main()
{
    std::stringstream ss;
    std::string in = "String with spaces, and embedded \"quotes\" too";
    std::string out;
 
    auto show = [&](const auto& what) {
        &what == &in
            ?   std::cout << "read in     [" << in << "]\n"
                          << "stored as   [" << ss.str() << "]\n"
            :   std::cout << "written out [" << out << "]\n\n";
    };
 
    ss << std::quoted(in);
    show(in);
    ss >> std::quoted(out);
    show(out);
 
    ss.str(""); // clear the stream buffer
 
    in = "String with spaces, and embedded $quotes$ too";
    const char delim {'$'};
    const char escape {'%'};
 
    ss << std::quoted(in, delim, escape);
    show(in);
    ss >> std::quoted(out, delim, escape);
    show(out);
}

输出

read in     [String with spaces, and embedded "quotes" too]
stored as   ["String with spaces, and embedded \"quotes\" too"]
written out [String with spaces, and embedded "quotes" too]
 
read in     [String with spaces, and embedded $quotes$ too]
stored as   [$String with spaces, and embedded %$quotes%$ too$]
written out [String with spaces, and embedded $quotes$ too]

在给定的代码中，delim 和 escape 是用于指定自定义的分隔符和转义字符的参数。这些参数是用于 std::quoted 函数的重载形式，允许你指定不同于默认引号的字符来包围字符串，并指定一个不同于默认转义字符的字符来转义引号字符。以下是关于这两个参数的详细解释：

delim: 分隔符在第一个用法中，std::quoted 函数使用了三个参数的重载形式：std::quoted(in, delim, escape)。delim 参数用于指定包围字符串的分隔符。通常情况下，std::quoted 使用双引号作为默认分隔符，但在某些情况下，你可能想要使用其他字符来包围字符串，以避免与字符串本身的字符冲突。在你的代码示例中，分隔符 delim 被设置为 $，这意味着字符串会被包围在 $ 字符内。
escape: 转义字符 escape 参数允许你指定一个字符，用于转义分隔符字符本身。在默认情况下，std::quoted 使用双引号 " 作为转义字符，以确保在字符串中嵌入的引号不会被解释为结束引号。但如果你选择了自定义的分隔符，你可能还需要指定一个不同于默认转义字符的字符来进行转义。在你的代码示例中，转义字符 escape 被设置为 %，这意味着在字符串中，如果你想要表示分隔符 $ 本身，你需要使用 %$。

这部分也不是很容易搞明白它是干嘛的，如果面试官问道了就说我不会吧😭