【C++】深入理解decltype和decltype(auto)

一、decltype语法介绍

decltype关键字是C++11新标准引入的关键字，它和关键字auto的功能类似，也可以自动推导出给定表达式的类型，但它和auto的语法有些不同，auto推导的表达式放在=的右边，并作为auto所定义的变量的初始值，而decltype是和表达式结合在一起，语法如下：

decltype(expr) var;

它的语法像是函数调用，但它不是函数调用而是运算符，和sizeof运算符类似，在编译期间获取他的类型，表达式expr不会被真正执行，因此不会产生汇编代码。

decltype和auto在功能上大部分相似，但推导规则和应用场景存在一些区别：

• 用auto定义变量时必须提供初始值表达式，利用初始值表达式推导出类型并用它作为变量的初始值，使用auto作为值语义的推导时，会忽略表达式expr的引用性和CV属性。
• decltype定义变量时可以不需要初始值。还有decltype可以保留引用性和CV属性。

• 引用性：表达式的引用属性，如左值引用或者右值引用。
• CV 属性：指的是 const 和 volatile 修饰符。它们用于修饰类型，以指定对象的特殊属性和行为。

二、decltype的推导规则

decltype的推导规则主要有三条规则：

• 如果 expr 一个类成员访问表达式，或者是一个单独的变量，decltype(expr) 的类型就和 expr 一致，这是最普遍最常见的情况。
• 如果 expr 是函数调用，那么 decltype(expr) 的类型就和函数返回值的类型一致。
• 如果 expr 是一个左值，或者被括号()包围，那么 decltype(expr) 的类型就是 expr 的引用；假设 expr 的类型为 T，么 decltype(expr) 的类型就是 T&。

为了更好地理解 decltype 的推导规则，下面来看几个实际的例子。

1. expr不加括号

#include <iostream>
#include <type_traits>int func(int x) {return x;
}class Base {
public:int x = 0;
};int main()
{// 情况1int i = 1;const int& j = i;decltype(j) x = j;	decltype(i) y = i;// is_same是C++11之后的一个类模板，用于判断两个类型是否一致cout << "x is const int& ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype(x), const int&>::value << endl;cout << "y is int ? " << std::boolalpha <<std::is_same<decltype(y), int>::value << endl;const Base b;cout << "decltype(b.x) is int ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype(b.x), int>::value << endl;int  x1 = 1, x2 = 2;cout << "decltype(x1 + x2) is int ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype(x1 + x2), int>::value << endl;cout << "decltype(x1, x2) is int ? " << std::boolalpha <<std::is_same<decltype(x1, x2), int>::value << endl;cout << "decltype(x1, 0) is int ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype(x1, 0), int>::value << endl;// 情况2cout << "decltype(func(1)) is int ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype(func(1)), int>::value << endl;// 情况3int a[10] = { 0 };cout << "decltype(a[1] is int& ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype(a[1]), int&>::value << endl;return 0;
}

2. expr加上括号

int main()
{// 情况3int x1 = 1;int x2 = 2;const Base b;cout << "decltype((x1 + x2)) is int ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype((x1 + x2)), int>::value << endl;cout << "decltype((x1)) is int& ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype((x1)), int&>::value << endl;cout << "decltype((b.x)) is const int& ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype((b.x)), const int&>::value << endl;return 0;
}

(1)式中相加后的结果是一个右值，加上括号后依然是一个右值，因此推导结果是int。

(2)式中跟之前没有加括号的情况不一样，加上括号相当于是返回x1变量，因此是一个左值，推导结果是一个引用。

(3)式返回的是一个左值，推导结果是一个引用，但因为定义的类对象b是一个const对象，要保持它的内容不可被修改，因此引用要加上const修饰。

三、关于decltype的CV属性推导

• 通常情况下，decltype(expr)所推导的类型会同步expr的cv限定符
• 当expr是未加括号的成员变量时，对象表达式的cv限定符会被忽略

class Base {
public:int x = 0;
};int main()
{// CV限定符的推导const int i = 0;cout << "decltype(i) is const int ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype(i), const int>::value << endl;const Base b;cout << "decltype(b.x) is int ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype(b.x), int>::value << endl;cout << "decltype((b.x)) is const int& ? " << std::boolalpha << std::is_same<decltype((b.x)), const int&>::value << endl;return 0;
}

为什么decltype((b.x))是const int&而不是const int呢？

因为decltype 的第三条推导规则：被括号()包围，会变成引用类型。

写到这里，不得不感概C++的语法是真的难，头都要给我学秃了…… 😭😭😭

四、 decltype(auto) 的使用

decltype(auto) 是 C++14 引入的一种类型推导机制，它结合了 decltype 和 auto 的特性。

使用 decltype(auto) 表示让auto使用自动类型推导，但推导的规则是按照decltype的规则来推导，这样在推导时会保留表达式的值的引用性和CV属性。

decltype(auto)的使用语法规则如下：

decltype(auto) var = expr;

• 简单使用示例：

int i = 1;
const int& j = i;
decltype(auto) x = j;	// x的类型为const int&
decltype(auto) y = i;	// y的类型为int

• decltype(auto)用于推导函数返回值的类型

#include <iostream>
#include <vector>std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};// 返回左值引用
decltype(auto) getElementRef(size_t index) {return vec[index];
}// 返回右值
decltype(auto) getElementValue(size_t index) {return vec[index] + 0;  // 使用右值表达式
}int main() {// 使用 getElementRef 返回左值引用decltype(auto) ref = getElementRef(2);ref = 100;  // 修改引用的值std::cout << "vec[2]: " << vec[2] << std::endl;  // 输出 100// 使用 getElementValue 返回右值decltype(auto) val = getElementValue(2);std::cout << "val: " << val << std::endl;  // 输出 100return 0;
}

• decltype(auto)使用陷阱

最后，对于decltype(auto)能够推导函数返回值为引用类型这一点，需要提醒一下的是，小心会有下面的陷阱，如下面的函数：

decltype(auto) func() {int x;// do something...return x;
}

这里推导出来的返回值类型是int，并且会拷贝局部变量x的值，这个没有问题。但如果是这样的定义：

decltype(auto) func() {int x;// do something...return (x);
}

这个版本返回的是一个引用，它将引用到一个即将销毁的局部变量上，当这个函数返回后，所返回的引用将引用到一个不存在的变量上，造成引用空悬的问题，程序的结果将是未知的。无论是有意的还是无意的返回一个引用，都要特别小心。