Chapter 1 类型推导

Item 1: Understand template type deduction

如果你不介意浏览少许伪代码，我们可以考虑像这样一个函数模板：

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template<typename T>
void f(ParamType param);

它的调用看起来像这样

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f(expr);                        //使用表达式调用f

在编译期间，编译器使用expr进行两个类型推导：一个是针对T的，另一个是针对ParamType的。这两个类型通常是不同的，因为ParamType包含一些修饰，比如const和引用修饰符。

我们可能很自然的期望T和传递进函数的实参是相同的类型，也就是，T为expr的类型。在上面的例子中，事实就是那样：x是int，T被推导为int。但有时情况并非总是如此，T的类型推导不仅取决于expr的类型，也取决于ParamType的类型。这里有三种情况：

  • ParamType是一个指针或引用，但不是通用引用（关于通用引用请参见Item24。在这里你只需要知道它存在，而且不同于左值引用和右值引用）
  • ParamType是一个通用引用
  • ParamType既不是指针也不是引用

我们下面将分成三个情景来讨论这三种情况，每个情景的都基于我们之前给出的模板

情景一：ParamType是一个指针或引用，但不是通用引用

最简单的情况是ParamType是一个指针或者引用，但非通用引用。在这种情况下，类型推导会这样进行：

  1. 如果expr的类型是一个引用，忽略引用部分
  2. 然后expr的类型与ParamType进行模式匹配来决定T

情景二：ParamType是一个通用引用

模板使用通用引用形参的话，那事情就不那么明显了。这样的形参被声明为像右值引用一样（也就是，在函数模板中假设有一个类型形参T，那么通用引用声明形式就是T&&)，它们的行为在传入左值实参时大不相同。完整的叙述请参见Item24，在这有些最必要的你还是需要知道：

  • 如果expr是左值，T和ParamType都会被推导为左值引用。这非常不寻常，第一，这是模板类型推导中唯一一种T被推导为引用的情况。第二，虽然ParamType被声明为右值引用类型，但是最后推导的结果是左值引用。
  • 如果expr是右值，就使用正常的（也就是情景一）推导规则

情景三：ParamType既不是指针也不是引用

当ParamType既不是指针也不是引用时，我们通过传值（pass-by-value）的方式处理：

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template<typename T>
void f(T param);                //以传值的方式处理param

这意味着无论传递什么param都会成为它的一份拷贝——一个完整的新对象。事实上param成为一个新对象这一行为会影响T如何从expr中推导出结果。

  1. 和之前一样，如果expr的类型是一个引用，忽略这个引用部分
  2. 如果忽略expr的引用性（reference-ness）之后，expr是一个const，那就再忽略const。如果它是volatile，也忽略volatile（volatile对象不常见，它通常用于驱动程序的开发中。关于volatile的细节请参见Item40）

请记住：

  • 在模板类型推导时，有引用的实参会被视为无引用，他们的引用会被忽略
  • 对于通用引用的推导，左值实参会被特殊对待
  • 对于传值类型推导，const和/或volatile实参会被认为是non-const的和non-volatile的
  • 在模板类型推导时，数组名或者函数名实参会退化为指针，除非它们被用于初始化引用

Item 2: Understand auto type deduction

auto类型推导和模板类型推导几乎一样的工作

当一个变量使用auto进行声明时，auto扮演了模板中T的角色，变量的类型说明符扮演了ParamType的角色。废话少说，这里便是更直观的代码描述，考虑这个例子：

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auto x = 27;

这里x的类型说明符是auto自己，另一方面，在这个声明中：

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const auto cx = x;

类型说明符是const auto。另一个：

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const auto& rx = x;

类型说明符是const auto&。在这里例子中要推导x，cx和rx的类型，编译器的行为看起来就像是认为这里每个声明都有一个模板，然后使用合适的初始化表达式进行调用

C++11添加了用于支持统一初始化（uniform initialization）的语法

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auto x1 = 27;                   //类型是int，值是27
auto x2(27);                    //同上
auto x3 = { 27 };               //类型是std::initializer_list<int>，
                                //值是{ 27 }
auto x4{ 27 };                  //同上

这些声明都能通过编译，但是他们不像替换之前那样有相同的意义。前面两个语句确实声明了一个类型为int值为27的变量，但是后面两个声明了一个存储一个元素27的 std::initializer_list<int>类型的变量。如果这样的一个类型不能被成功推导（比如花括号里面包含的是不同类型的变量），编译器会拒绝这样的代码

因此auto类型推导和模板类型推导的真正区别在于，auto类型推导假定花括号表示std::initializer_list而模板类型推导不会这样（确切的说是不知道怎么办）

对于C++11故事已经说完了。但是对于C++14故事还在继续，C++14允许auto用于函数返回值并会被推导（参见Item3），而且C++14的lambda函数也允许在形参声明中使用auto。但是在这些情况下auto实际上使用模板类型推导的那一套规则在工作，而不是auto类型推导，所以说下面这样的代码不会通过编译：

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auto createInitList()
{
    return { 1, 2, 3 };         //错误！不能推导{ 1, 2, 3 }的类型
}

同样在C++14的lambda函数中这样使用auto也不能通过编译：

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std::vector<int> v;
…
auto resetV = 
    [&v](const auto& newValue){ v = newValue; };        //C++14
…
resetV({ 1, 2, 3 });            //错误！不能推导{ 1, 2, 3 }的类型

请记住：

  • auto类型推导通常和模板类型推导相同，但是auto类型推导假定花括号初始化代表std::initializer_list，而模板类型推导不这样做
  • 在C++14中auto允许出现在函数返回值或者lambda函数形参中，但是它的工作机制是模板类型推导那一套方案，而不是auto类型推导

Item 3: Understand decltype

在C++11中，decltype最主要的用途就是用于声明函数模板，而这个函数返回类型依赖于形参类型。

尾置返回类型语法

对一个T类型的容器使用operator[] 通常会返回一个T&对象，比如std::deque就是这样。但是std::vector有一个例外，对于std::vector<bool>，operator[]不会返回bool&，它会返回一个全新的对象（译注：MSVC的STL实现中返回的是std::_Vb_reference<std::_Wrap_alloc<std::allocator<unsigned int>>>对象）。关于这个问题的详细讨论请参见Item6，这里重要的是我们可以看到对一个容器进行operator[]操作返回的类型取决于容器本身。

使用decltype使得我们很容易去实现它，这是我们写的第一个版本，使用decltype计算返回类型，这个模板需要改良，我们把这个推迟到后面：

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template<typename Container, typename Index>    //可以工作，
auto authAndAccess(Container& c, Index i)       //但是需要改良
    ->decltype(c[i])
{
    authenticateUser();
    return c[i];
}

函数名称前面的auto不会做任何的类型推导工作。相反的，他只是暗示使用了C++11的尾置返回类型语法，即在函数形参列表后面使用一个”->“符号指出函数的返回类型，尾置返回类型的好处是我们可以在函数返回类型中使用函数形参相关的信息。在authAndAccess函数中，我们使用c和i指定返回类型。如果我们按照传统语法把函数返回类型放在函数名称之前，c和i就未被声明所以不能使用。

在这种声明中，authAndAccess函数返回operator[]应用到容器中返回的对象的类型，这也正是我们期望的结果。

C++14扩展到允许自动推导所有的lambda表达式和函数，甚至它们内含多条语句。对于authAndAccess来说这意味着在C++14标准下我们可以忽略尾置返回类型，只留下一个auto。使用这种声明形式，auto标示这里会发生类型推导。更准确的说，编译器将会从函数实现中推导出函数的返回类型。

decltype(auto)

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template<typename Container, typename Index>    //C++14版本，
auto authAndAccess(Container& c, Index i)       //不那么正确
{
    authenticateUser();
    return c[i];                                //从c[i]中推导返回类型
}

Item2解释了函数返回类型中使用auto，编译器实际上是使用的模板类型推导的那套规则。如果那样的话这里就会有一些问题。正如我们之前讨论的，operator[]对于大多数T类型的容器会返回一个T&，但是Item1解释了在模板类型推导期间，表达式的引用性（reference-ness）会被忽略

要想让authAndAccess像我们期待的那样工作，我们需要使用decltype类型推导来推导它的返回值，即指定authAndAccess应该返回一个和c[i]表达式类型一样的类型。C++期望在某些情况下当类型被暗示时需要使用decltype类型推导的规则，C++14通过使用decltype(auto)说明符使得这成为可能。我们第一次看见decltype(auto)可能觉得非常的矛盾（到底是decltype还是auto？），实际上我们可以这样解释它的意义：auto说明符表示这个类型将会被推导，decltype说明decltype的规则将会被用到这个推导过程中。因此我们可以这样写authAndAccess：

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template<typename Container, typename Index>    //C++14版本，
decltype(auto)                                  //可以工作，
authAndAccess(Container& c, Index i)            //但是还需要
{                                               //改良
    authenticateUser();
    return c[i];
}

现在authAndAccess将会真正的返回c[i]的类型。现在事情解决了，一般情况下c[i]返回T&，authAndAccess也会返回T&，特殊情况下c[i]返回一个对象，authAndAccess也会返回一个对象。

将decltype应用于变量名会产生该变量名的声明类型。虽然变量名都是左值表达式，但这不会影响decltype的行为。（译者注：这里是说对于单纯的变量名，decltype只会返回变量的声明类型）然而，对于比单纯的变量名更复杂的左值表达式，decltype可以确保报告的类型始终是左值引用。也就是说，如果一个不是单纯变量名的左值表达式的类型是T，那么decltype会把这个表达式的类型报告为T&。这几乎没有什么太大影响，因为大多数左值表达式的类型天生具备一个左值引用修饰符。例如，返回左值的函数总是返回左值引用。

这个行为暗含的意义值得我们注意，在：

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int x = 0;

中，x是一个变量的名字，所以decltype(x)是int。但是如果用一个小括号包覆这个名字，比如这样(x) ，就会产生一个比名字更复杂的表达式。对于名字来说，x是一个左值，C++11定义了表达式(x)也是一个左值。因此decltype((x))是int&。用小括号覆盖一个名字可以改变decltype对于名字产生的结果。

请记住：

  • decltype总是不加修改的产生变量或者表达式的类型。
  • 对于T类型的不是单纯的变量名的左值表达式，decltype总是产出T的引用即T&。
  • C++14支持decltype(auto)，就像auto一样，推导出类型，但是它使用decltype的规则进行推导。

Item 4: Know how to view deduced types

(……)

Chapter 2 auto

item 5: Prefer auto to explicit type declarations

auto变量从初始化表达式中推导出类型，所以我们必须初始化

std::function是一个C++11标准模板库中的一个模板，它泛化了函数指针的概念。与函数指针只能指向函数不同，std::function可以指向任何可调用对象，也就是那些像函数一样能进行调用的东西。当你声明函数指针时你必须指定函数类型（即函数签名），同样当你创建std::function对象时你也需要提供函数签名，由于它是一个模板所以你需要在它的模板参数里面提供。举个例子，假设你想声明一个std::function对象func使它指向一个可调用对象，比如一个具有这样函数签名的函数，

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bool(const std::unique_ptr<Widget> &,           //C++11
     const std::unique_ptr<Widget> &)           //std::unique_ptr<Widget>
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你就得这么写：

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std::function<bool(const std::unique_ptr<Widget> &,
                   const std::unique_ptr<Widget> &)> func;

语法冗长不说，还需要重复写很多形参类型，使用std::function还不如使用auto。用auto声明的变量保存一个和闭包一样类型的（新）闭包，因此使用了与闭包相同大小存储空间。实例化std::function并声明一个对象这个对象将会有固定的大小。这个大小可能不足以存储一个闭包，这个时候std::function的构造函数将会在堆上面分配内存来存储，这就造成了使用std::function比auto声明变量会消耗更多的内存。并且通过具体实现我们得知通过std::function调用一个闭包几乎无疑比auto声明的对象调用要慢。换句话说，std::function方法比auto方法要更耗空间且更慢，还可能有out-of-memory异常。并且正如上面的例子，比起写std::function实例化的类型来，使用auto要方便得多。在这场存储闭包的比赛中，auto无疑取得了胜利（也可以使用std::bind来生成一个闭包，但在Item34我会尽我最大努力说服你使用lambda表达式代替std::bind)

类型快捷方式（type shortcuts）

你将看到这样的代码——甚至你会这么写：

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std::vector<int> v;
…
unsigned sz = v.size();

v.size()的标准返回类型是std::vector<int>::size_type，但是只有少数开发者意识到这点。std::vector<int>::size_type实际上被指定为无符号整型，所以很多人都认为用unsigned就足够了，写下了上述的代码。这会造成一些有趣的结果。举个例子，在Windows 32-bit上std::vector<int>::size_type和unsigned是一样的大小，但是在Windows 64-bit上std::vector<int>::size_type是64位，unsigned是32位。这意味着这段代码在Windows 32-bit上正常工作，但是当把应用程序移植到Windows 64-bit上时就可能会出现一些问题。谁愿意花时间处理这些细枝末节的问题呢？

所以使用auto可以确保你不需要浪费时间：

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auto sz =v.size();                      //sz的类型是std::vector<int>::size_type

你还是不相信使用auto是多么明智的选择？

请记住：

  • auto变量必须初始化，通常它可以避免一些移植性和效率性的问题，也使得重构更方便，还能让你少打几个字。
  • 正如Item2和6讨论的，auto类型的变量可能会踩到一些陷阱。

Item 6: Use the explicitly typed initializer idiom when auto deduces undesired types

代理类(proxy class)

更进一步假设第5个bit表示Widget是否具有高优先级，我们可以写这样的代码：

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Widget w;
…
bool highPriority = features(w)[5];     //w高优先级吗？
…
processWidget(w, highPriority);         //根据它的优先级处理w

这个代码没有任何问题。它会正常工作，但是如果我们使用auto代替highPriority的显式指定类型做一些看起来很无害的改变：

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auto highPriority = features(w)[5];     //w高优先级吗？

情况变了。所有代码仍然可编译，但是行为不再可预测：

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processWidget(w,highPriority);          //未定义行为！

就像注释说的，这个processWidget是一个未定义行为。为什么呢？答案有可能让你很惊讶，使用auto后highPriority不再是bool类型。虽然从概念上来说std::vector<bool>意味着存放bool，但是std::vector<bool>的operator[]不会返回容器中元素的引用（这就是std::vector::operator[]可返回除了bool以外的任何类型），取而代之它返回一个std::vector<bool>::reference的对象（一个嵌套于std::vector<bool>中的类）。std::vector<bool>::reference之所以存在是因为std::vector<bool>规定了使用一个打包形式（packed form）表示它的bool，每个bool占一个bit。

highPriority是这个std::vector<bool>::reference的拷贝，所以highPriority也包含一个指针，指向temp中的这个word，加上相应于第5个bit的偏移。在这个语句结束的时候temp将会被销毁，因为它是一个临时变量。因此highPriority包含一个悬置的（dangling）指针，如果用于processWidget调用中将会造成未定义行为：

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processWidget(w, highPriority);         //未定义行为！
                                        //highPriority包含一个悬置指针！

std::vector<bool>::reference是一个代理类（proxy class）的例子：所谓代理类就是以模仿和增强一些类型的行为为目的而存在的类。

实际上， 很多开发者都是在跟踪一些令人困惑的复杂问题或在单元测试出错进行调试时才看到代理类的使用。不管你怎么发现它们的，一旦看到auto推导了代理类的类型而不是被代理的类型，解决方案并不需要抛弃auto。auto本身没什么问题，问题是auto不会推导出你想要的类型。解决方案是强制使用一个不同的类型推导形式，这种方法我通常称之为显式类型初始器惯用法（the explicitly typed initialized idiom)。

显式类型初始器惯用法使用auto声明一个变量，然后对表达式强制类型转换（cast）得出你期望的推导结果。举个例子，我们该怎么将这个惯用法施加到highPriority上？

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auto highPriority = static_cast<bool>(features(w)[5]);

这里，features(w)[5]还是返回一个std::vector<bool>::reference对象，就像之前那样，但是这个转型使得表达式类型为bool，然后auto才被用于推导highPriority。在运行时，对std::vector<bool>::operator[]返回的std::vector<bool>::reference执行它支持的向bool的转型，在这个过程中指向std::vector<bool>的指针已经被解引用。这就避开了我们之前的未定义行为。然后5将被用于指向bit的指针，bool值被用于初始化highPriority。

Chapter 3 移步现代C++

Item 7: Distinguish between () and {} when creating objects