c++11/14 auto 与 decltype

Posted 2022-12-03 zkccpro

auto 与 decltype

c++11以后新增的这两个关键字可谓是“冤家路窄”。如果你是初学者，可能不能体会到为什么他俩有紧密的关系。你可能会说：auto就是根据根据给变量赋的值推出变量的类型；decltype就是可以推出来任意表达式的类型嘛。

void fun(int,int);
decltype(fun) f;//f的类型为：void(int,int)
auto f1=f;//f1的类型为：void(*)(int,int)，这里的函数会退化成指针，这是为啥呢？

确实，作为初学者知道这些应该就够了，或许一般的初学者还会清楚decltype推导函数数组形参类型的退化：

void fun(int arr[10]);
decltype(fun) f;//f的类型为：void(int*)

原本的数组形参退化成了指针。不过这知道不知道也无所谓，毕竟现代c++中几乎不采用这种写法了。本文需要解决的问题是从更深层次的角度来分析auto推导类型的规则，以及auto与decltype的关系。

一、auto推导类型的规则

auto推导类型是啥规则啊？还记得“模板类型推导规则”一文的介绍吗？对，不要怀疑，**auto采用和模板类型推导一样的规则。**这样是不是就豁然开朗了！为什么本文第一段代码中，传入函数实参时，f1会退化成函数指针？只要理解了模板推导规则，这个问题就顺理成章了。（参加“模板类型推导规则”一文的第5条）

还记得模板类型推导中模板函数形参类型分为3种情况吗？左值引用、万能引用、值类型。下面分别看看这3种情况对应auto的关系：

auto& a=i;
//的推导规则等价于
template<typename T>
void f(T& arg);

auto&& a=i;//没错，这也算是万能引用！只有这2种情况算作万能引用！
//的推导规则等价于
template<typename T>
void f(T&& arg);

auto a=i;
//的推导规则等价于
template<typename T>
void f(T arg);

除了以上3点，模板类型推导规则一文中提到的**“数组实参退化**”和**“函数类型实参退化”**规则在auto中也同样适用。

上面的代码写的有点蹩脚auto a=i，是为了提醒，auto声明的变量必须要初始化，就像引用一样。（你想啊 你不初始化，编译器该怎么知道到这里应该给auto变量推导为什么类型、分配多大的内存呢？）

你以为这样就完事了吗？？其实不是，auto的推导规则只有一点例外，和模板类型推导不一样！

• auto与模板参数 对待（统一初始化）的区别？

  先说结论，记住即可，没有为啥：auto可以推导统一初始化的类型，而模板参数则不能推导统一初始化的类型。

  auto a=2;//a的类型为：std::initializer_list<int>，值为2
  
  template<typename T>
  void f(T arg);
  f(2);//编译出错，模板无法推导出的类型

统一初始化是c++11引入的新的初始化方式，可能你已经用过了，感觉还不错。但这里有很多坑，弄不好容易”反噬“自己。。后面的文章会详谈c++11的统一初始化。

• c++11/c++14中的auto：

  c++14是更好用的c++11！这个版本对c++11的很多使用细节问题做出了改进，使用更加灵活方便。比如auto，就是c++14改进的重点之一。

  c++14对auto的改进共有2点：

  1. 支持lambda的形参列表中使用auto

     这就相当于为lambda增添了模板功能，lambda在c++14中也可以写成模板函数了！这在c++11中是不行的。但auto用在lambda形参中是一个“伪auto”，并不支持统一初始化类型的推导：

     auto lam=[](auto& ref);//完全等价于模板形参
     int a=0;
     lam(a);//OK
     lam(1);//NO，和模板一样，也推不出统一初始化！
     

  2. 函数返回值支持使用auto

     c++11中也不允许返回值使用auto，但c++14就可以，且这个auto也是一个“伪auto”，不能推导出模板参数。

     auto func()
         return 2;//OK
         return 2;//NO!，不支持推导统一初始化类型
     //c++14
     

     但不要搞混了，c++11是支持尾置返回值的，但不支持auto返回值，二者写法有点像：

     auto func()->int;//c++11,OK
     auto func();//c++11,NO!
     

二、auto与decltype的关系

说了那么久的auto，那么auto和decltype究竟有什么关系呢？

首先需要了解decltype是怎么类型推导的？他和模板类型推导/auto的规则还不一样，而是更nb一些。**decltype可以推导出表达式的准确类型。**不管有什么左值右值。。引用什么的，统统给你原汁原味推出来。

那么现在，思考这样一种需求（decltype+auto的经典场景）：

我要设计一个函数，需要返回一个引用，而我的返回值是个右值（比如返回的是数组下标，是右值吧，而我还需要返回出去的是个左值引用！）。例如，c++11中可以这样完成这个需求：

template<typename Container,typename Index>
auto access(Container& c,Index i)->decltype(c[i])
    if(i>=c.size()) return c[c.size()-1];
    else if(i<0) return c[0];
    else return c[i];
//c++11

看上面的代码可能有点懵，上面的尾置返回类型强行推导c[i]的类型，虽然c[i]表达式本身是一个右值，但decltype(c[i])的结果是一个左值引用（因为c[i]的返回值是左值引用）。这样，向外返回的仍然是个左值引用，于是我们就可以写出这样的调用代码：

std::vector<int> vec1,2,3;
int a=access(vec,2);
access(vec,2)=3;//由于设计的返回左值，所以可以直接通过access修改vec[2]

在c++14中，为了完成上述需求，你可能会写出下面的代码：

template<typename Container,typename Index>
auto access(Container& c,Index i)
    if(i>=c.size()) return c[c.size()-1];
    else if(i<0) return c[0];
    else return c[i];
//c++14

上面说到，auto在c++14中可以直接作为返回值了，那么这么写能否完成我们想要的需求呢？

分析一下，表达式c[i]返回的是右值，对于一个传入一个右值，auto将推导其为值语义，即一份拷贝。意思就是，这个函数会把c[i]的值拷贝一份作为函数的返回值，返回之后就变成右值了。这。。明显达不到左值引用的要求啊！

因此，c++14为了简化c++11的代码，完成这个需求，发明了decltye(auto)这个“冤家组合”：

template<typename Container,typename Index>
decltye(auto) access(Container& c,Index i)
    if(i>=c.size()) return c[c.size()-1];
    else if(i<0) return c[0];
    else return c[i];
//c++14

这段代码啥意思呢？没啥意思，和c++11的尾置decltype一个意思。。。同样可以使access函数返回一个左值这个需求。

• 最后，来谈一下c++11之后，用auto和decltype的一些小建议吧！

  1. auto是个好东西，当你觉得你的类型太长了（比如stl容器迭代器那种）你懒得写，那就用auto吧！

     std::vector<int> vec;
     auto it_vec=vec.begin();//it_vec的类型是：std::vector<int>::iterator
     

  2. c++11的范围for语句和auto是绝配

     std::vector<int> vec1,2,3,4;
     for(auto& item:vec)
         item=1;//item被推导为左值引用，可修改原数组的值
     
     

  3. lambda对象就要用auto了（除非你想使用临时lambda），因为你根本无法写出lambda的类型

     auto lam=[]();//无法写出"[]()"的类型
     

     当然了，你用c++11的函数对象（function）也可以接受一个lambda，但这不在本文的讨论范围。

  4. 用auto就必须初始化，因此类内成员就不要用auto了。（我试过类内的auto，不论是直接初始化、初始化列表初始化、还是构造函数中初始化，好像会报错）