C++ 11 新特性梳理

21CTO导读:在面试中,经常被问的一个问题就是:你了解C++11哪些新特性?一般而言,回答以下四个方面就够了。


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1.“语法糖”:nullptr, auto自动类型推导,范围for循环,初始化列表, lambda表达式等
2.右值引用和移动语义
3.智能指针
4.C++11多线程编程:thread库及其相配套的同步原语mutex, lock_guard, condition_variable, 以及异步std::furture

1、“语法糖”
 
这部分内容一般是一句话带过的,但是有时候也需要说一些,比较重重要的就是auto和lambda。
 
auto自动类型推导
 
C语言也有auto关键字,但是其含义只是与static变量做一个区分,一个变量不指定的话默认就是auto。。因为很少有人去用这个东西,所以在C++11中就把原有的auto功能给废弃掉了,而变成了现在的自动类型推导关键字。用法很简单不多赘述,比如写一个auto a = 3, 编译器就会自动推导a的类型为int. 在遍历某些STL容器的时候,不用去声明那些迭代器的类型,也不用去使用typedef就能很简洁的实现遍历了。

auto的使用有以下两点必须注意:
 
1、auto声明的变量必须要初始化,否则编译器不能判断变量的类型。
2、auto不能被声明为返回值,auto不能作为形参,auto不能被修饰为模板参数
 
关于效率: auto实际上实在编译时对变量进行了类型推导,所以不会对程序的运行效率造成不良影响。另外,auto并不会影响编译速度,因为编译时本来也要右侧推导然后判断与左侧是否匹配。

关于具体的推导规则,您可以参考这里http://www.cnblogs.com/boydfd/p/4950334.html
 
lambda表达式
 
lambda表达式是匿名函数,可以认为是一个可执行体functor,语法规则如下:
[捕获区](参数区){代码区};
auto add = (int a, int b) {return a + b};

就我的理解而言,捕获的意思即为将一些变量展开使得为lambda内部可见,具体方式有如下几种
 
1、[a,&b] 其中 a 以复制捕获而 b 以引用捕获。
2、[this] 以引用捕获当前对象( *this )
3、[&] 以引用捕获所有用于 lambda 体内的自动变量,并以引用捕获当前对象,若存在
4、以复制捕获所有用于 lambda 体内的自动变量,并以引用捕获当前对象,若存在
5、不捕获,大部分情况下不捕获就可以了
 
一般使用场景:sort等自定义比较函数、用thread起简单的线程。

 2. 右值引用与移动语义
 
右值引用是C++11新特性,它实现了转移语义和完美转发,主要目的有两个方面
 
1、消除两个对象交互时不必要的对象拷贝,节省运算存储资源,提高效率
2、能够更简洁明确地定义泛型函数
C++中的变量要么是左值、要么是右值。通俗的左值定义指的是非临时变量,而左值指的是临时对象。左值引用的符号是一个&,右值引用是两个&&

 
移动语义

转移语义可以将资源(堆、系统对象等)从一个对象转移到另一个对象,这样可以减少不必要的临时对象的创建、拷贝及销毁。移动语义与拷贝语义是相对的,可以类比文件的剪切和拷贝。在现有的C++机制中,自定义的类要实现转移语义,需要定义移动构造函数,还可以定义转移赋值操作符。

以string类的移动构造函数为例
MyString(MyString&& str) {
std::cout << "Move Ctor source from " << str._data << endl;
_len = str._len;
_data = str._data;
str._len = 0;
str._data = NULL;
}
和拷贝构造函数类似,有几点需要注意:
 
1、参数(右值)的符号必须是&&
2、参数(右值)不可以是常量,因为我们需要修改右值
3、参数(右值)的资源链接和标记必须修改,否则,右值的析构函数就会释放资源。转移到新对象的资源也就无效了。

标准库函数std::move --- 将左值变成一个右值
 
编译器只对右值引用才能调用移动构造函数,那么如果已知一个命名对象不再被使用,此时仍然想调用它的移动构造函数,也就是把一个左值引用当做右值引用来使用,该怎么做呢?用std::move,这个函数以非常简单的方式将左值引用转换为右值引用。
 
完美转发 Perfect Forwarding
 
完美转发使用这样的场景:需要将一组参数原封不动地传递给另一个函数。原封不动不仅仅是参数的值不变,在C++中还有以下的两组属性:
 
1、左值/右值
2、const / non-const
完美转发就是在参数传递过程中,所有这些属性和参数值都不能改变。在泛型函数中,这样的需求十分普遍。


为了保证这些属性,泛型函数需要重载各种版本,左值右值不同版本,还要分别对应不同的const关系,但是如果只定义一个右值引用参数的函数版本,这个问题就迎刃而解了,原因在于:
 
C++11对T&&的类型推导: 右值实参为右值引用,左值实参仍然为左值

3、智能指针
 
核心思想:为防止内存泄露等问题,用一个对象来管理野指针,使得在该对象构造时获得该指针管理权,析构时自动释放(delete).

基于此思想C++98提供了第一个智能指针:auto_ptr

auto_ptr基于所有权转移的语义,即将一个就的auto_ptr赋值给另外一个新的auto_ptr时,旧的那一个就不再拥有该指针的控制权(内部指针被赋值为null),那么这就会带来一些根本性的破绽:
 
1、函数参数传递时,会有隐式的赋值,那么原来的auto_ptr自动失去了控制权
2、自我赋值时,会将自己内部指针赋值为null,造成bug
 
因为auto_ptr的各种bug,C++11标准基本废弃了这种类型的智能指针,转而带来了三种全新的智能指针:
 
1、shared_ptr,基于引用计数的智能指针,会统计当前有多少个对象同时拥有该内部指针;当引用计数降为0时,自动释放
2、weak_ptr,基于引用计数的智能指针在面对循环引用的问题将无能为力,因此C++11还引入weak_ptr与之配套使用,weak_ptr只引用,不计数
3、unique_ptr:遵循独占语义的智能指针,在任何时间点,资源智能唯一地被一个unique_ptr所占有,当其离开作用域时自动析构。资源所有权的转移只能通过std::move()而不能通过赋值
 

展现知识广度:Java等语言的中垃圾回收机制
垃圾收集器将内存视为一张有向可达图,该图的节点被分成一组根节点和一组堆节点。每个堆节点对应一个内存分配块,当存在一条从任意根节点出发到达某堆节点p的有向路径时,我们就说节点p是可达的。在任意时刻,不可达节点属于垃圾。垃圾收集器通过维护这一张图,并通过定期地释放不可达节点并将它们返回给空闲链表,来定期地回收它们。
所以,聊到这里还可以引申malloc的分配机制、伙伴系统、虚拟内存等等概念


这里给出一个shared_ptr的简单实现:
 
class Counter {
friend class SmartPointPro;
public:
Counter(){
ptr = NULL;
cnt = 0;
}
Counter(Object* p){
ptr = p;
cnt = 1;
}
~Counter(){
delete ptr;
}

private:
Object* ptr;
int cnt;
};

class SmartPointPro {
public:
SmartPointerPro(Object* p){
ptr_counter = new Counter(p);
}
SmartPointerPro(const SmartPointerPro &sp){
ptr_counter = sp.ptr_counter;
++ptr_counter->cnt;
}
SmartPointerPro& operator=(const SmartPointerPro &sp){
++sp.ptr_counter->cnt;
--ptr_counter.cnt;
if(ptr_counter.cnt == 0)
delete ptr_counter;
ptr_counter = sp.ptr_counter;
}
~SmartPointerPro(){
--ptr_counter->cnt;
if(ptr_counter.cnt == 0)
delete ptr_counter;
}
private:
Counter *ptr_counter;
};

需要记住的事,在以下三种情况下会引起引用计数的变更:
 
1、调用构造函数时: SmartPointer p(new Object());
2、赋值构造函数时: SmartPointer p(const SmartPointer &p);
3、赋值时:SmartPointer p1(new Object()); SmartPointer p2 = p1; C++11多线程编程
 线程 #include <thread>
 
std::thread可以和普通函数和lambda表达式搭配使用。它还允许向线程执行函数传递任意多参数。
#include <thread>
void func() {
// do some work here
}
int main() {
std::thread thr(func);
t.join();
return 0;
}

上面就是一个最简单的使用std::thread的例子,函数func()在新起的线程中执行。调用join()函数是为了阻塞主线程,直到这个新起的线程执行完毕。线程函数的返回值都会被忽略,但线程函数可以接受任意数目的输入参数。

 std::thread的其他成员函数
 
1、joinable(): 判断线程对象是否可以join,当线程对象被析构的时候如果对象``joinable()==true会导致std::terminate`被调用。
2、join(): 阻塞当前进程(通常是主线程),等待创建的新线程执行完毕被操作系统回收。
3、detach(): 将线程分离,从此线程对象受操作系统管辖。 线程管理函数
 
除了std::thread的成员函数外,在std::this_thread命名空间也定义了一系列函数用于管理当前线程。

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至于mutex, condition_variable等同步原语以及future关键字的使用这里不做详细介绍,如果用过自然可以说出,没有用过的话这部分内容也不应该和面试官讨论。
 

作者:杭河苇
来源:https://www.jianshu.com/p/78c700c8d72d


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