C++ auto(类型推导)精讲
C++11 引入了 auto 和 decltype 关键字实现类型推导,通过这两个关键字不仅能方便地获取复杂的类型,而且还能简化书写,提高编码效率。本节我们先讲解 auto 关键字,下节再讲解 decltype 关键字。
不同于 Python 等动态类型语言的运行时变量类型推导,隐式类型定义的类型推导发生在编译期。它的作用是让编译器自动推断出这个变量的类型,而不需要显式指定类型。
现在,C++11中 也拥有了类似的功能:auto 类型推导。其写法与上述 C# 代码等价:
下面看下 auto 的一些基本用法:
v 和 u 的推导需要注意两点:
由上面的例子可以看出来,auto 并不能代表一个实际的类型声明(如 s 的编译错误),只是一个类型声明的“占位符”。使用 auto 声明的变量必须马上初始化,以让编译器推断出它的实际类型,并在编译时将 auto 占位符替换为真正的类型。
细心的读者可能会发现,auto 关键字其实并不是一个全新的关键字。在旧标准中,它代表“具有自动存储期的局部变量”,不过其实它在这方面的作用不大,比如:
实际上,我们很少有机会这样直接使用 auto,因为非 static 的局部变量默认就是“具有自动存储期的”。
考虑到 auto 在 C++ 中使用的较少,在 C++11 标准中,auto 关键字不再表示存储类型指示符(storage-class-specifiers,例如 static、register、mutable 等),而是改成了一个类型指示符(type-specifier),用来提示编译器对此类型的变量做类型的自动推导。
再来看一组例子:
通过上面的一系列示例,可以得到下面这两条规则:
看到这里,对函数模板自动推导规则比较熟悉的读者可能会发现,auto 的推导和函数模板参数的自动推导有相似之处。比如上面例子中的 auto,和下面的模板参数自动推导出来的类型是一致的:
注意:auto 是不能用于函数参数的。上面的示例代码只是单纯比较函数模板参数推导和 auto 推导规则的相似处。
因此,在熟悉 auto 推导规则时,可以借助函数模板的参数自动推导规则来帮助和加强理解。
我们通过下面的代码来演示一下 auto 的限制:
在 main 函数中,auto 定义的数组 rr 和 Bar<auto>bb 都是无法通过编译的。
注意 main 函数中的 aa 不会被推导为 int[10],而是被推导为 int*。这个结果可以通过 auto 与函数模板参数自动推导的对比来理解。
在 C++11 之前,定义了一个 stl 容器以后,在遍历的时候常常会写这样的代码:
来看看使用了 auto 以后的写法:
再看一个例子,在一个 unordered_multimap 中查找一个范围,代码如下:
【实例】auto 简化函数定义的示例。
上面给出的各种示例仅仅只是实际应用中很少的一部分,但也足以说明 auto 关键字的各种常规使用方法。更多的适用场景,希望读者能够在实际的编程中亲身体验。
注意 auto 是一个很强大的工具,但任何工具都有它的两面性。不加选择地随意使用 auto,会带来代码可读性和维护性的严重下降。因此,在使用 auto 的时候,一定要权衡好它带来的“价值”和相应的“损失”。
auto 关键字的新意义
用过 C# 的读者可能知道,从 Visual C#3.0 开始,在方法范围中声明的变量可以具有隐式类型 var。例如,下面这样的写法(C#代码):
var i = 10; // 隐式(implicitly)类型定义
int i = 10; // 显式(explicitly)类型定义
不同于 Python 等动态类型语言的运行时变量类型推导,隐式类型定义的类型推导发生在编译期。它的作用是让编译器自动推断出这个变量的类型,而不需要显式指定类型。
现在,C++11中 也拥有了类似的功能:auto 类型推导。其写法与上述 C# 代码等价:
auto i = 10;
是不是和 C# 的隐式类型定义很像呢?下面看下 auto 的一些基本用法:
auto x = 5; // OK: x是int类型 auto pi = new auto(1); // OK: pi被推导为int* const auto *v = &x, u = 6; // OK: v是const int*类型,u是const int类型 static auto y = 0.0; // OK: y是double类型 auto int r; // error: auto不再表示存储类型指示符 auto s; // error: auto无法推导出s的类型在上面的代码示例中:
- 字面量 5 是一个 const int 类型,变量 x 将被推导为 int 类型(const被丢弃,后面说明),并被初始化为 5。
- pi 的推导说明 auto 还可以用于 new 操作符。在例子中,new 操作符后面的 auto(1) 被推导为 int(1),因此 pi 的类型是 int*。
- 接着,由 &x 的类型为 int*,推导出 const auto* 中的 auto 应该是 int,于是 v 被推导为 const int*,而 u 则被推导为 const int。
- 最后 y、r、s 的推导过程比较简单,就不展开讲解了。读者可自行在支持 C++11 的编译器上实验。
v 和 u 的推导需要注意两点:
-
虽然经过前面 const auto*v=&x 的推导,auto 的类型可以确定为 int 了,但是 u 仍然必须要写后面的
=6
,否则编译器不予通过。 -
u 的初始化不能使编译器推导产生二义性。例如,把 u 的初始化改成
u=6.0
,编译器将会报错:const auto *v = &x, u = 6.0;
error: inconsistent deduction for 'const auto': 'int' and then 'double'
由上面的例子可以看出来,auto 并不能代表一个实际的类型声明(如 s 的编译错误),只是一个类型声明的“占位符”。使用 auto 声明的变量必须马上初始化,以让编译器推断出它的实际类型,并在编译时将 auto 占位符替换为真正的类型。
细心的读者可能会发现,auto 关键字其实并不是一个全新的关键字。在旧标准中,它代表“具有自动存储期的局部变量”,不过其实它在这方面的作用不大,比如:
auto int i = 0; // C++98/03,可以默认写成 int i = 0;
static int j = 0;
实际上,我们很少有机会这样直接使用 auto,因为非 static 的局部变量默认就是“具有自动存储期的”。
考虑到 auto 在 C++ 中使用的较少,在 C++11 标准中,auto 关键字不再表示存储类型指示符(storage-class-specifiers,例如 static、register、mutable 等),而是改成了一个类型指示符(type-specifier),用来提示编译器对此类型的变量做类型的自动推导。
auto 的推导规则
从上面的示例中可以看到 auto 的一些使用方法。它可以同指针、引用结合起来使用,还可以带上 cv 限定符(cv-qualifier,const 和 volatile 限定符的统称)。再来看一组例子:
int x = 0; auto * a = &x; // a -> int*,auto被推导为int auto b = &x; // b -> int*,auto被推导为int* auto & c = x; // c -> int&,auto被推导为int auto d = c; // d -> int ,auto被推导为int const auto e = x; // e -> const int auto f = e; // f -> int const auto& g = x; // e -> const int& auto& h = g; // f -> const int&由上面的例子可以看出:
- a 和 c 的推导结果是很显然的,auto 在编译时被替换为 int,因此 a 和 c 分别被推导为 int* 和 int&。
- b 的推导结果说明,其实 auto 不声明为指针,也可以推导出指针类型。
- d 的推导结果说明当表达式是一个引用类型时,auto 会把引用类型抛弃,直接推导成原始类型 int。
- e 的推导结果说明,const auto 会在编译时被替换为 const int。
- f 的推导结果说明,当表达式带有 const(实际上 volatile 也会得到同样的结果)属性时,auto 会把 const 属性抛弃掉,推导成 non-const 类型 int。
- g、h 的推导说明,当 auto 和引用(换成指针在这里也将得到同样的结果)结合时,auto 的推导将保留表达式的 const 属性。
通过上面的一系列示例,可以得到下面这两条规则:
- 当不声明为指针或引用时,auto 的推导结果和初始化表达式抛弃引用和 cv 限定符后类型一致。
- 当声明为指针或引用时,auto 的推导结果将保持初始化表达式的 cv 属性。
看到这里,对函数模板自动推导规则比较熟悉的读者可能会发现,auto 的推导和函数模板参数的自动推导有相似之处。比如上面例子中的 auto,和下面的模板参数自动推导出来的类型是一致的:
template <typename T> void func(T x) {} // T -> auto template <typename T> void func(T * x) {} // T * -> auto * template <typename T> void func(T & x) {} // T & -> auto & template <typename T> void func(const T x) {} // const T -> const auto template <typename T> void func(const T * x) {} // const T * -> const auto * template <typename T> void func(const T & x) {} // const T & -> const auto &
注意:auto 是不能用于函数参数的。上面的示例代码只是单纯比较函数模板参数推导和 auto 推导规则的相似处。
因此,在熟悉 auto 推导规则时,可以借助函数模板的参数自动推导规则来帮助和加强理解。
auto 的限制
上面提到了 auto 是不能用于函数参数的。那么除了这个之外,还有哪些限制呢?我们通过下面的代码来演示一下 auto 的限制:
void func(auto a = 1) {} // error: auto不能用于函数参数 struct Foo { auto var1_ = 0; // error: auto不能用于非静态成员变量 static const auto var2_ = 0; // OK: var2_ -> static const int }; template <typename T> struct Bar {}; int main(void) { int arr[10] = {0}; auto aa = arr; // OK: aa -> int * auto rr[10] = arr; // error: auto无法定义数组 Bar<int> bar; Bar<auto> bb = bar; // error: auto无法推导出模板参数 return 0; }在 Foo 中,auto 仅能用于推导 static const 的整型或者枚举成员(因为其他静态类型在 C++ 标准中无法就地初始化),虽然 C++11 中可以接受非静态成员变量的就地初始化,但却不支持 auto 类型非静态成员变量的初始化。
在 main 函数中,auto 定义的数组 rr 和 Bar<auto>bb 都是无法通过编译的。
注意 main 函数中的 aa 不会被推导为 int[10],而是被推导为 int*。这个结果可以通过 auto 与函数模板参数自动推导的对比来理解。
什么时候用 auto
前面说了这么多,最重要的是,应该在什么时候使用 auto 呢?在 C++11 之前,定义了一个 stl 容器以后,在遍历的时候常常会写这样的代码:
#include <map> int main(void) { std::map<double, double> resultMap; // ... std::map<double,double>::iterator it = resultMap.begin(); for(; it != resultMap.end(); ++it) { // do something } return 0; }观察上面的迭代器(iterator)变量it的定义过程,总感觉有点憋屈。其实通过 resultMap.begin(),已经能够知道 it 的具体类型了,却非要书写上长长的类型定义才能通过编译。
来看看使用了 auto 以后的写法:
#include <map> int main(void) { std::map<double, double> resultMap; // ... for(auto it = resultMap.begin(); it != resultMap.end(); ++it) { // do something } return 0; }再次观察 it 的定义过程,是不是感到清爽了很多?
再看一个例子,在一个 unordered_multimap 中查找一个范围,代码如下:
#include <map> int main(void) { std::unordered_multimap<int, int> resultMap; // ... std::pair< std::unordered_multimap<int,int>::iterator, std::unordered_multimap<int, int>::iterator > range = resultMap.equal_range(key); return 0; }这个 equal_range 返回的类型声明显得烦琐而冗长,而且实际上并不关心这里的具体类型(大概知道是一个 std::pair 就够了)。这时,通过 auto 就能极大的简化书写,省去推导具体类型的过程:
#include <map> int main(void) { std::unordered_multimap<int, int> map; // ... auto range = map.equal_range(key); return 0; }另外,在很多情况下我们是无法知道变量应该被定义成什么类型的,比如下面的例子。
【实例】auto 简化函数定义的示例。
class Foo { public: static int get(void) { return 0; } }; class Bar { public: static const char* get(void) { return "0"; } }; template <class A> void func(void) { auto val = A::get(); // ... } int main(void) { func<Foo>(); func<Bar>(); return 0; }在这个例子里,我们希望定义一个泛型函数 func,对所有具有静态 get 方法的类型 A,在得到 get 的结果后做统一的后续处理。若不使用 auto,就不得不对 func 再增加一个模板参数,并在外部调用时手动指定 get 的返回值类型。
上面给出的各种示例仅仅只是实际应用中很少的一部分,但也足以说明 auto 关键字的各种常规使用方法。更多的适用场景,希望读者能够在实际的编程中亲身体验。
注意 auto 是一个很强大的工具,但任何工具都有它的两面性。不加选择地随意使用 auto,会带来代码可读性和维护性的严重下降。因此,在使用 auto 的时候,一定要权衡好它带来的“价值”和相应的“损失”。
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