[C++]CS 106L: Standard C++ Programming 学习笔记

前言

五一比较闲，就看了看 CS106L 这门课

懒得等今年的课，看的是 Spring 2021 的，因为没代码就只看了课件

记一点学到的新东西（~~其实只是凑篇blog~~）

std::optional (C++17)

类似于一个普通变量，但有一个“没有值”的状态

std::variant (C++17)

类似 std::optional，但可选择含多种类型（同一时刻只有一种值，类似 union）

std::any (C++17)

类似 std::any，可含任意类型的值

统一初始化（Uniform Initialization）(C++11)
- 内部实现为 std::initializer_list
结构化绑定（Structured binding） (C++17)

语法糖，简单例子：

std::pair<int, double> v{1, 3.14};
auto [x, y] = v;
std::cout << x << ' ' << y << std::endl;
//1 3.14

struct Info
{
    int a, b;
    std::pair<int, char> c;
    std::vector<int> d;
};
Info e{1, 2, {3, 's'}, {4, 5, 6}};

std::stringstream

类似 C 的 sscanf、sprintf，在 std::string 上做流操作

std::vector<bool>

尽量不使用，底层实现为 bitset，导致部分功能无法正常使用

可使用 std::deque 或 std::bitset 代替

Lambda Capture (C++11)

捕获当前作用域中部分变量值，以供 Lambda 函数使用

auto Lambda = [capture-values](arguments)
{
    //do something
}

[x](arguments)		//捕获 x 为常量
[&x](arguments)		//捕获 x 为引用
[&x, y](arguments)	//捕获 x 为引用, y 为常量
[&](arguments)		//捕获所有作为引用
[&, x](arguments)	//捕获除 x 以外的变量为引用, 捕获 x 为常量
[=](arguments)		//捕获所有作为常量
//...

特殊迭代器
- std::inserter，std::front_inserter，std::back_inserter
- std::istream_iterator，std::ostream_iterator

1 2	std::copy(vec.begin(), vec.end(), std::back_inserter(vec2));//连接两个 vector std::copy(vec.begin(), vec.end(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, "\n"));//输出 vector

Anonymous namespace

匿名空间，可以将变量作用域限制在本文件内

1	namespace{...}

由编译器自动生成唯一名字，类似于：

1 2	namespace _UNIQUE_NAME{...} using namespace _UNIQUE_NAME;

内存泄漏？（这里只是简单记录一下，可能有错，仅供了解，实际问题更加复杂）

学 OI 的时候不用管，指针随便开，现在才感觉非常麻烦，C++ 中手动申请的内存不会自动回收，需要手动处理

简单例子（重载等于号时 struct 中的数组复制）：

struct Info
{
    int *a, Size;

    Info(int _Size = 0): Size(_Size), a(new int[Size]){}

    Info& operator=(const Info& o)
    {
        //a = o.a, Size = o.Size
        //浅拷贝，无法复制内容，实质是指针共用一块地址
        if(&o == this)return *this;		//特殊情况
        Size = o.Size;
        delete[] a;						//清除原有内存
        a = new int[Size];
        std::copy(o.a, o.a + Size, a);	//深拷贝
        return *this;
    }

    ~Info(){delete[] a;}				//析构函数中释放内存
};

函数后加 = 运算符

struct Info
{
    Info& operator=(const Info& o) = delete;
    //删除函数，在有内存泄漏的风险下可用于防止直接复制 struct / class 等
    
    virtual void Function() = 0;
    //强制子类必须实现此函数
};

Move Semantics

考虑一段代码：

std::vector<int> Func()
{
    //return something
}

std::vector<int> v = Func();

这段代码中 v 首先复制 Func()的内容，然后 Func() 销毁，比较浪费（copy 行为）

考虑有没有一种方法直接将 v 指向 Func() 的内容？（move 行为）

lvalue / rvalue（左值 / 右值）
- lvalue：在内存中有地址，可置于 = 运算符的左边，一般生命周期为定义域
- rvalue：在内存中无地址，只存在于 = 运算符的右边，一般生命周期为当前语句

For example：

int v1 = 2;			    //2: rvalue
int v2 = v1 * 2;	    //v1 * 2: rvalue
char v3 = getchar();	//getchar(): rvalue
int v4 = v1 += v2;      //v1 += v2: lvalue
int *p = &v4;
v1 = *p;                //*p: lvalue

通常引用只能指向 lvalue：

void Func(int& x){/*...*/}
int x = 3;
Func(x);
Func(3);//Compile Error

对 rvalue 的引用使用 &&：

1	void Func(int&& x){/.../}

那么 rvalue 的引用有什么用？

可以用于对 rvalue 实现 move 行为，以构造函数为例：

struct Info
{
    int *a, Size;

    Info(const Info& o): Size(o.Size)
    {
        a = new int[Size];
        std::copy(o.a, o.a + Size, a);
    }

    Info(Info&& o): Size(o.Size)
    {
        a = o.a;        //直接指向 rvalue 的地址，因为后续不再需要 rvalue
        o.a = nullptr;  //保证 rvalue 调用析构函数的正常销毁，不影响内存上的值
        o.Size = 0;
    }

    ~Info(){delete[] a;}
};

但是…注意到里面 o.a 是 lvalue，a = o.a 这一语句执行的依然是 copy 行为，尽管复制一个指针对效率影响不大，但是如果是复制一些特殊变量可能还会达不到目的，怎么样进行 move 行为？

std::move (C++11)

头文件 <utility>

std::move 并不移动什么，实际上 std::move 作用是转为 rvalue 的引用，等同于 std::static_cast<T&&>(...)

于是可以将代码改为：

Info(Info&& o): Size(std::move(o.Size))
{
    a = std::move(o.a);
    o.a = nullptr;
    o.Size = 0;
}

其他例子：

std::vector<int> v1{1, 2, 3}, v2;
v2 = std::move(v1);
std::cout << v2[2] << std::endl;
std::cout << v1[2] << std::endl;	//v1 转为 rvalue 并 move 后销毁，不再可用

需要注意的是，一个对 rvalue 的引用本身是 lvalue：

std::vector<int> v1{1, 2, 3}, v2;
auto&& r = std::move(v1);			//此处 r 为 lvalue
v2 = r;								//执行 copy
std::cout << v2[2] << std::endl;
std::cout << v1[2] << std::endl;	//未执行 move，依然可用

RAII（Resource Acquisition is Initialization）

一种避免内存泄漏的方法，即所有的初始化由构造函数执行，销毁由析构函数执行（总会执行）

std::ifstream in;
in.open("data.txt");
//something might throw exception
in.close();

此语句不保证 in 能够正常关闭，可改为：

1 2	std::ifstream in("data.txt"); //something might throw exception

程序会自动调用析构函数，可以正常释放资源

Smart Pointers（智能指针）
- std::unique_ptr (C++11)
- std::shared_ptr (C++11)
- std::weak_ptr (C++11)

C++ 提供的智能指针可以自动释放内存，避免内存泄漏

1 2	int* p = new int; delete p;

可变为：

1 2	std::unique_ptr<int> p(new int); //生命周期结束后自动释放

而 std::unique_ptr 不可复制，std::shared_ptr 可复制，std::shared_ptr 在同一对象的所有指针都销毁后才销毁对象。

std::weak_ptr 可指向 std::shared_ptr，但不影响 std::shared_ptr 的销毁机制

如何避免使用 new 和 delete 运算符呢？可使用 std::make_unique (C++14)，std::make_shared (C++11) 代替（并且推荐）

Variadic templates (C++11)

可变参数模板，以求和函数为例：

template<typename T>
T Sum(T v){return v;}

template<typename T, typename... Args>
T Sum(T v, Args... args)
{
    return v + Sum(args...);
}

//Sum(1, 2, 3, 4)