【C++】C++11语法 ~ 可变参数模板

一. 类的新功能

🥑默认成员函数

C++11之后，有八个默认成员函数

在C++11之前，一个类中有如下六个默认成员函数：

• 构造函数
• 析构函数
• 拷贝构造函数
• 拷贝赋值函数
• 取地址重载函数
• const取地址重载函数

其中前四个成员函数最重要，后面两个成员函数一般不会用到，这里“默认”的意思就是你不写编译器会自动生成。在C++11标准中又增加了两个默认成员函数，分别是移动构造函数和移动赋值重载函数

✨默认移动构造和移动赋值的生成条件

• 默认移动构造生成条件：没有自己实现移动构造函数，并且没有自己实现析构函数、拷贝构造函数和拷贝赋值函数的任意一个
• 移动赋值重载函数的生成条件：没有自己实现移动赋值重载函数，并且没有自己实现析构函数、拷贝构造函数和拷贝赋值函数

😎特别注意： 如果我们自己实现了移动构造或者移动赋值，就算没有实现拷贝构造和拷贝赋值，编译器也不会生成默认的拷贝构造和拷贝赋值

默认生成的移动构造和移动赋值会做什么？

• 对于内置类型的成员会完成值拷贝（浅拷贝），对于自定义类型的成员，如果该成员实现了移动构造/移动赋值就调用它的移动构造/移动赋值，否则就调用它的拷贝构造

对此我们展开验证，这里需要模拟实现一个简化版的string类，类当中只编写了几个我们需要用到的成员函数。

代码如下：

namespace ljj
{
	class string
	{
	public:
		typedef char* iterator;
		iterator begin()
		{
			return _str; //返回字符串中第一个字符的地址
		}
		iterator end()
		{
			return _str + _size; //返回字符串中最后一个字符的后一个字符的地址
		}
		//构造函数
		string(const char* str = "")
		{
			_size = strlen(str); //初始时，字符串大小设置为字符串长度
			_capacity = _size; //初始时，字符串容量设置为字符串长度
			_str = new char[_capacity + 1]; //为存储字符串开辟空间（多开一个用于存放'\0'）
			strcpy(_str, str); //将C字符串拷贝到已开好的空间
		}
		//交换两个对象的数据
		void swap(string& s)
		{
			//调用库里的swap
			::swap(_str, s._str); //交换两个对象的C字符串
			::swap(_size, s._size); //交换两个对象的大小
			::swap(_capacity, s._capacity); //交换两个对象的容量
		}
		//拷贝构造函数（现代写法）
		string(const string& s)
			:_str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			cout << "string(const string& s) -- 深拷贝" << endl;

			string tmp(s._str); //调用构造函数，构造出一个C字符串为s._str的对象
			swap(tmp); //交换这两个对象
		}

		//移动构造
		string(string&& s)//右值引用
			:_str(nullptr)
			, _size(0)
			, _capacity(0)
		{
			cout << "string(string&& s) -- 资源转移" << endl;

			swap(s); //资源互换
		}

		//赋值运算符重载（现代写法）
		string& operator=(const string& s)
		{
			cout << "string& operator=(const string& s) -- 深拷贝" << endl;

			string tmp(s); //用s拷贝构造出对象tmp
			swap(tmp); //交换这两个对象
			return *this; //返回左值（支持连续赋值）
		}

		//移动赋值
		string& operator=(string&& s)
		{
			cout << "string& operator=(const string&& s) -- 移动赋值" << endl;
			swap(s);

			return *this; //返回左值（支持连续赋值）
		}

		//析构函数
		~string()
		{
			delete[] _str;  //释放_str指向的空间
			_str = nullptr; //及时置空，防止非法访问
			_size = 0;      //大小置0
			_capacity = 0;  //容量置0
		}
		//[]运算符重载
		char& operator[](size_t i)
		{
			assert(i < _size); //检测下标的合法性
			return _str[i]; //返回对应字符
		}
		//改变容量，大小不变
		void reserve(size_t n)
		{
			if (n > _capacity) //当n大于对象当前容量时才需执行操作
			{
				char* tmp = new char[n + 1]; //多开一个空间用于存放'\0'
				strncpy(tmp, _str, _size + 1); //将对象原本的C字符串拷贝过来（包括'\0'）
				delete[] _str; //释放对象原本的空间
				_str = tmp; //将新开辟的空间交给_str
				_capacity = n; //容量跟着改变
			}
		}
		//尾插字符
		void push_back(char ch)
		{
			if (_size == _capacity) //判断是否需要增容
			{
				reserve(_capacity == 0 ? 4 : _capacity * 2); //将容量扩大为原来的两倍
			}
			_str[_size] = ch; //将字符尾插到字符串
			_str[_size + 1] = '\0'; //字符串后面放上'\0'
			_size++; //字符串的大小加一
		}
		//+=运算符重载
		string& operator+=(char ch)
		{
			push_back(ch); //尾插字符串
			return *this; //返回左值（支持连续+=）
		}
		//返回C类型的字符串
		const char* c_str()const
		{
			return _str;
		}
	private:
		char* _str;
		size_t _size;
		size_t _capacity;
	};
}

再编写一个简单的Person类，Person类中的成员name的类型就是我们模拟实现的string类

class Person
{
public:
	//构造函数
	Person(const char* name = "", int age = 0)
		:_name(name)
		, _age(age)
	{}
	//拷贝构造函数
	Person(const Person& p)
		:_name(p._name)
		, _age(p._age)
	{}
	//拷贝赋值函数
	Person& operator=(const Person& p)
	{
		if (this != &p)
		{
			_name = p._name;
			_age = p._age;
		}
		return *this;
	}
	//析构函数
	~Person()
	{}
private:
	cl::string _name; //姓名
	int _age;         //年龄
};

因为Person类中实现了拷贝构造、拷贝赋值和析构函数等，所以不会默认生成移动构造和移动赋值

int main()
{
	Person s1("张三", 7);
	Person s2 = s1;//拷贝构造
	Person s3 = std::move(s1);//移动构造(没有移动构造，就会调用拷贝构造)
	return 0;
}

ps：由于VS2013没有完全支持C++11，因此上述代码无法在VS2013当中验证，需要使用更新一点的编译器进行验证，比如VS2019

🥑类成员变量初始化

默认生成的构造函数，对于自定义类型的成员会调用其构造函数进行初始化，但并不会对内置类型的成员进行处理。于是C++11支持非静态成员变量在声明时进行初始化赋值，默认生成的构造函数会使用这些缺省值对成员进行初始化

class Person
{
public:
	//...
private:
	//非静态成员变量，可以在成员声明时给缺省值
	ljj::string _name = "张三"; //姓名
	int _age = 20;             //年龄
	static int _n; //静态成员变量不能给缺省值
};

🥑强制生成默认函数的关键字default

C++11可以让你更好的控制要使用的默认函数。假设你要使用某个默认的函数，但是因为一些原因这个函数没有默认生成。比如：我们提供了拷贝构造，就不会生成移动构造了，那么我们可以使用default关键字显示指定移动构造生成

下面函数实现了拷贝构造

class Person
{
public:
	//拷贝构造函数
	Person(const Person& p)
		:_name(p._name)
		, _age(p._age)
	{}
private:
	cl::string _name; //姓名
	int _age;         //年龄
};

这样编译器就无法生成默认的构造函数了，因为默认构造函数生成的条件是没有编写任意类型的构造函数，包括拷贝构造函数

这时我们就可以使用default关键字强制生成默认的构造函数

class Person
{
public:
	Person() = default; //强制生成默认构造函数

	//拷贝构造函数
	Person(const Person& p)
		:_name(p._name)
		, _age(p._age)
	{}
private:
	cl::string _name; //姓名
	int _age;         //年龄
};

主要使用场景：用于构造函数，因为如果我们实现了拷贝构造（也算构造），就不会默认生成构造函数了，需要强制生成

🥑禁止生成默认函数的关键字delete

当我们想要限制某些默认函数生成

• 在C++98中，可以将该函数设置成私有，并且只用声明不用定义，这样当外部调用该函数时就会报错。
• 在C++11中，可以在该函数声明后面加上=delete，表示让编译器不生成该函数的默认版本，我们将=delete修饰的函数称为删除函数

class Person
{
public:
	//构造函数
	Person(const char* name = "", int age = 0)
		:_name(name)
		, _age(age)
	{}
	//不想要Person对象拷贝
	Person(const Person& p) = delete;
private:
	ljj::string _name; //姓名
	int _age;         //年龄
};

int main()
{
	Person s1("张三", 7);
	Person s2 = s1;//拷贝构造
	return 0;
}

来道题目：要求delete关键字实现，一个类只能在堆上创建对象

class HeapOnly
{
public:
	HeapOnly()
	{
		_str = new char[10];
	}

	~HeapOnly() = delete;

	void Destroy()
	{
		delete[] _str;//删除开创的空间
		free(this);//删除ptr指针
	}

private:
	char* _str;
};

int main()
{
	HeapOnly* ptr = new HeapOnly;
	ptr->Destroy();
	return 0;
}

如果是构造时，对象有数据，则要我们手动实现一个类似析构函数的函数，析构要注意两块空间哦：ptr指针和new的空间都要释放了

二. 可变模板参数

C++11 新增一员大将就是可变参数模板，他可以允许可变参数的函数模板和类模板来作为参数，使得参数高度泛化

💦模板定义

函数的可变参数模板定义方式如下：

template<class …Args>
void ShowList(Args… args)
{
  //函数体
}

• Args是一个模板参数包，args是一个函数形参参数包
  声明一个参数包Args…args，这个参数包中可以包含0到任意个模板参数

模板参数包 Args 和函数形参参数包 args 的名字可以任意指定，并不是说必须叫做 Args 和 args

int main()
{
	//函数传参就可以传多个不同类型参数了
	string str("hello");
	ShowList();
	ShowList(1);
	ShowList(1, 'A');
	ShowList(1, 'A', str);
	return 0;
}

也可以通过sizeof算出参数包中参数的个数：...是在外面的

template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	cout << sizeof...(args) << endl; //获取参数包中参数的个数
}

此时最大的难点来了，就是怎么样直接获取参数包中的每个参数？

• 语法并不支持使用 args[i] 的方式来获取参数包中的参数，只能通过展开参数包的方式来获取，这是使用可变参数模板的一个主要特点

下面是错误示范：（语法不支持！）

template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	cout << sizeof...(args) << endl;

	//错误示例:
	for (int i = 0; i < sizeof...(args); i++)
	{
		cout << args[i] << " "; //打印参数包中的每个参数
	}
	cout << endl;
}

💦参数包的展开

😎递归函数方式展开

该方法大概分为三步：

• 给函数模板增加一个模板参数，从接收的参数包中把第一个参数分离出来
• 在函数模板中递归调用该函数模板，调用时传入剩下的参数包
• 直到递归到参数包为空，退出递归

//可变参数的函数模板 
template<class T, class ...Args>
void ShowList(const T& val, Args... args)
{
	cout << val << " ";//打印分离出的第一个参数
	ShowList(args...);//继续递归调用
}

//递归至空，终止函数
void ShowList()
{
	cout << endl;
}

int main()
{
	string str("hello");
	ShowList(1, 'A', str);
	return 0;
}

那如果我们不使用递归调用，该怎么样写呢？

😎逗号表达式展开

逗号表达式规则是会从左到右依次计算各个表达式，并将最后一个表达式的值作为返回值返回，我们将最后一个表达式设为整型值，确保最后返回的是一个整型

将处理参数个数的动作封装成一个函数，将该函数作为逗号表达式的第一个表达式

template <class T>
void PrintArg(const T& x)
{
	cout << x << " ";
}

template <class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	int a[] = { (PrintArg(args), 0)... };//开创输入参数个整数类型的数组
}

我们要的是打印出参数包中的各个参数，因此处理函数当中要做的就是将传入的参数进行打印即可

ps：可变参数的省略号...需要加在逗号表达式外面，表示需要先将逗号表达式展开，如果直接加在 args 后面，那么参数包将会被展开后全部传入 PrintArg，会展开成 {(PrintArg(arg1), 0), (PrintArg(arg2), 0), (PrintArg(arg3), 0), etc…}

当然我们不使用逗号表达式也是可以的，这里的问题是初始化整型数组时必须用整数，那我们可以将处理函数的返回值设为整型，然后用这个返回值去初始化整型数组也是可以的：

void ShowList()
{
	cout << endl;
}
//处理函数
template<class T>
int PrintArg(const T& t)//返回值为int类型
{
	cout << t << " ";
	return 0;
}
//展开函数
template<class ...Args>
void ShowList(Args... args)
{
	int arr[] = { PrintArg(args)... }; //列表初始化
	cout << endl;
}

三. emplace

C++11 给 STL 容器增加 emplace 的插入接口，比如 list 容器的 push_front、push_back 和insert 函数，都有了对应的 emplace_front、emplace_back 和 emplace 函数：

这些emplace版本的插入接口支持模板的可变参数，比如vector容器的emplac函数的声明如下：

✨使用方法

调用 push_back 插入元素时，可以传入左值对象或右值对象，也可以使用列表进行初始化；调用emplace_back 插入元素时，也可以传入左值对象或右值对象，但不可以使用列表进行初始化

emplace系列接口最大的特点就是，插入元素可传入用于构造元素的参数包

int main()
{
	//对于整形：没有区别
	vector<int> v;
	v.push_back(1);
	v.emplace_back(2);

	//对于pair类型数据
	vector<pair<std::string, int>> v1;
	v1.push_back(make_pair("sort", 1));
	v1.emplace_back("sort", 1);

	return 0;
}

那么emplace会比push_back更加高效吗？不一定！

✨工作原理

emplace 接口先通过空间配置器为新结点获取一块内存空间，注意这里只会开辟空间，不会自动调用构造函数对这块空间进行初始化

• 调用 allocator_traits::construct 函数对这块空间进行初始化，调用该函数会传入这块空间的地址和用户传入的参数，注意要完美转发
• 在 allocator_traits::construct 中会使用定位 new 表达式，显示调用构造函数对这块空间进行初始化，调用构造函数时会传入用户传入的参数，这里同样需要完美转发

✨意义

emplace 接口的可变参数模板类型都是万能引用，因此既可以接收左值，也可以接收右值，还可以接收参数包

• 调用 emplace 接口时传入的是参数包，就可以直接调用函数进行插入，并最终使用定位 new 表达式调用构造函数对空间进行初始化时，匹配到构造函数
• 调用 emplace 接口时传入的是左值or右值，首先需要先在此之前调用构造函数实例化出一个对象，最后使用定位 new 表达式调用构造函数对空间进行初始化时，会匹配到拷贝构造函数or拷贝构造

总的来说：如果传入参数包，只需要调用构造函数

emplace 最大特点就是支持传入参数包，用这些参数包直接构造出对象，这样就能减少一次拷贝，这就是为什么有人说 emplace 系列接口更高效的原因

emplace 真正高效的情况是传入参数包的时候， 直接通过参数包构造出对象，避免了中途的一次拷贝 直接通过参数包构造出对象，避免了中途的一次拷贝

举例演示：

class Date
{
public:
	Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
		:_year(year)
		, _month(month)
		, _day(day)
	{
		cout << "构造函数" << endl;
	}

	Date(const Date& d)
		:_year(d._year)
		, _month(d._month)
		, _day(d._day)
	{
		cout << "拷贝构造" << endl;
	}

	Date& operator=(const Date& d)
	{
		cout << "赋值重载" << endl;
		return *this;
	}

private:
	int _year;
	int _month;
	int _day;
};

int main()
{
	list<Date> lt1;

	lt1.push_back(Date(2023, 2, 3));
	cout << endl;
	lt1.emplace_back(2023, 2, 3);
}

所以验证了emplace_back是比push_back要少一次拷贝构造

📢写在最后