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突破编程_C++_C++11新特性（nullptr、constexpr与基于范围的 for 循环）

news 来源：原创 2024/5/20 14:51:23

1 nullptr

C++11 引入了一个名为 nullptr 的新关键字，用于替换 C++98/03 中的 NULL 宏。nullptr 是空指针常量的一种类型安全的表示方法，它解决了使用 NULL 时可能遇到的一些问题和歧义。

1.1 NULL 的问题

在 C++98/03 中，NULL 通常被定义为 (void*)0 或 0，这取决于具体的实现。使用 NULL 有两个潜在的问题：

（1）类型不安全： NULL 可以隐式转换为任何指针类型，这可能导致一些类型混淆的错误。

（2）重载函数的歧义： 如果函数重载了接受 int 和指针参数的版本，使用 NULL 可能会导致调用错误版本的函数。

1.2 nullptr 的优势及示例

nullptr 的优势如下：

（1）类型安全： nullptr 是一个指针字面量，它只能转换为指针类型，不能转换为整数类型。

（2）消除重载函数的歧义： 使用 nullptr 可以确保调用正确版本的函数，因为它只能表示指针类型的空值。

nullptr 的示例如下：

示例 1：替换 NULL

#include <iostream>  int* getPointer() {  // ...  return nullptr; // 返回空指针  
}  int main() 
{  int* ptr = getPointer();  if (nullptr == ptr) { // 检查指针是否为空  std::cout << "Pointer is null." << std::endl;  } else {  std::cout << "Pointer is not null." << std::endl;  }  return 0;  
}

示例 2：消除重载函数的歧义

#include <iostream>  void foo(int x) {  std::cout << "Called foo(int)" << std::endl;  
}  void foo(int* ptr) {  if (nullptr == ptr) {  std::cout << "Called foo(int*) with null pointer." << std::endl;  } else {  std::cout << "Called foo(int*) with non-null pointer." << std::endl;  }  
}  int main() 
{  foo(0);         // 调用 foo(int)  foo(nullptr);   // 调用 foo(int*)  return 0;  
}

在这个例子中，如果使用 NULL 替换 nullptr，那么 foo(NULL) 的调用将变得不明确，因为编译器无法区分应该调用哪个版本的 foo 函数。但是使用 nullptr 可以消除这种歧义。

1.3 注意事项

使用 nullptr 的注意事项如下：

确保在编写新的 C++11 代码时使用 nullptr 替代 NULL。
当升级旧代码时，逐步替换 NULL 为 nullptr，确保代码的正确性和兼容性。
了解编译器和库是否支持 C++11，以确保 nullptr 可以被正确识别和使用。
通过使用 nullptr，可以提高代码的类型安全性，并消除由于使用 NULL 而可能引入的错误和歧义。

2 constexpr

C++11 引入了一个非常强大的关键字 constexpr，它允许在编译时计算表达式的值，并且这些值可以用于初始化常量表达式。这不仅可以提高代码的可读性和性能，还可以用于创建模板元编程中的常量值。

2.1 constexpr 的基本用法

constexpr可以用于变量、函数或类的构造函数。当用于变量时，它表示该变量的值是一个常量表达式，必须在编译时确定。当用于函数或构造函数时，它表示该函数或构造函数的返回值是一个常量表达式。

示例 1：constexpr变量

constexpr int a = 5; // a是一个编译时常量  
constexpr int b = a * 2; // b的值在编译时确定为10

示例 2：constexpr函数

constexpr int square(int x) {  return x * x;  
}  int main() 
{  constexpr int c = square(3); // c的值在编译时确定为9  return 0;  
}

2.2 constexpr 的限制和扩展

在 C++11 中，constexpr 函数有一些限制：

它们只能包含单个返回语句。
它们只能调用其他 constexpr 函数。
它们不能包含非 constexpr 的变量或函数调用。

注意：从 C++14 开始，这些限制得到了放宽，允许 constexpr 函数有更多的灵活性，包括循环、条件语句等。

示例 1：C++14 中的 constexpr 函数

constexpr int factorial(int n) {  int result = 1;  for (int i = 1; i <= n; ++i) {  result *= i;  }  return result;  
}  int main() 
{  constexpr int d = factorial(5); // d 的值在编译时确定为 120  return 0;  
}

constexpr 也可以用于类的构造函数，允许在编译时创建类的常量对象。

示例 2：constexpr 构造函数

#include <iostream>  
class Point {
public:constexpr Point(int x = 0, int y = 0) : m_x(x), m_y(y) {}constexpr int getX() const { return m_x; }constexpr int getY() const { return m_y; }private:int m_x, m_y;
};int main()
{constexpr Point p(1, 2); // p 是一个编译时常量对象  constexpr int e = p.getX(); // e 的值在编译时确定为 1  return 0;
}

2.3 使用 constexpr 的优势

使用 constexpr 的优势如下：

性能提升：由于 constexpr 的值在编译时确定，所以不需要在运行时进行计算，这可以提高代码的执行效率。
类型安全：使用 constexpr 可以确保常量表达式在编译时就是正确的，从而避免运行时错误。
模板元编程：constexpr 在模板元编程中特别有用，因为元编程需要在编译时计算值。

2.4 注意事项

使用 constexpr 的注意事项如下：

并不是所有的编译器都完全支持 C++11 和 C++14 中的 constexpr 特性，特别是在处理复杂表达式和函数时。因此，在使用 constexpr 时，最好检查编译器文档以确保兼容性。
过度使用 constexpr 可能会使代码难以阅读和维护。通常，只在确实需要编译时常量表达式的地方使用它。
通过掌握 constexpr 的用法，可以写出更加高效、安全的 C++ 代码，并利用编译时计算的优势来提升性能。

3 范围的 for 循环

基于范围的for循环（Range-based for loop）是 C++11 引入的一个新特性，它使得遍历容器或数组变得更加简单和直观。这种循环方式可以自动处理迭代器，使得代码更加简洁易读。

3.1 基本语法

基于范围的for循环的基本语法如下：

for (declaration : expression) {  // 循环体  
}

其中：

declaration：定义循环变量的类型。
expression：返回一个序列，通常是一个容器或数组。

3.2 示例

下面是一些使用基于范围的for循环的示例：

示例 1：遍历数组

#include <iostream>  int main() 
{  int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};  for (int num : arr) {  std::cout << num << " ";  }  std::cout << std::endl;  return 0;  
}

输出：

1 2 3 4 5

示例 2：遍历 STL 容器

#include <iostream>  
#include <vector>  
#include <string> int main() 
{  std::vector<std::string> vec = {"apple", "banana", "cherry"};  for (const std::string& fruit : vec) {  std::cout << fruit << " ";  }  std::cout << std::endl;  return 0;  
}

输出：

apple banana cherry

示例 3：遍历自定义容器

只要自定义容器支持 begin() 和 end() 成员函数，并且这些函数返回的迭代器支持解引用操作，那么就可以使用基于范围的 for 循环来遍历它：

#include <iostream>  class IntegerSequence {
public:IntegerSequence(int start, int end) : m_start(start), m_end(end) {}class iterator {public:iterator(int value) : m_current(value) {}bool operator==(const iterator& other) const {return m_current == other.m_current;}bool operator!=(const iterator& other) const {return !(*this == other);}int operator*() const {return m_current;}iterator& operator++() {++m_current;return *this;}private:int m_current;};iterator begin() const {return iterator(m_start);}iterator end() const {return iterator(m_end + 1);}private:int m_start;int m_end;
};int main() 
{IntegerSequence seq(1, 5);// 使用基于范围的for循环遍历自定义类型  for (int num : seq) {std::cout << num << " ";}std::cout << std::endl;return 0;
}

输出：

1 2 3 4 5

在上面的代码中，IntegerSequence 类包含了一个迭代器 iterator，该迭代器可以递增并返回当前值。IntegerSequence 的 begin 和 end 成员函数返回迭代器，分别指向序列的开始和结束位置。

在 main 函数中，创建了一个 IntegerSequence 对象，并使用基于范围的 for 循环遍历它。循环体会自动使用 begin 和 end 返回的迭代器，并在每次迭代时递增迭代器，直到它等于 end 返回的迭代器为止。

3.3 注意事项

如下是基于范围的 for 循环的一些注意事项：

基于范围的 for 循环只能用于支持迭代器的序列。
在循环体内，无法直接修改序列的大小（例如，在遍历 std::vector 时，不能添加或删除元素）。如果需要修改序列，则需要使用传统的迭代器循环。
对于引用类型的循环变量（如示例 2 中的 const std::string& fruit），实际上是在引用序列中的元素，而不是复制它们。这意味着对循环变量的修改会影响序列中的实际元素（如果没有使用 const 的话）。