C++类型推断

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C++类型推断

对于静态语言来说，你一般要明确告诉编译器变量或者表达式的类型。但是庆幸地是，现在C++已经引入了自动类型推断：编译器可以自动推断出类型。在C++11之前，类型推断只是用在模板上。而C++11通过引入两个关键字auto和decltype扩展了类型推断的应用。C++14更进一步扩展了auto和decltype的应用范围。明显地，类型推断可以减少很多无必要的工作。但是高兴之余，你仍然有可能会犯一些错误，如果你不能深入理解类型推断背后的规则与机理。因此，我们分别从模板类型推断、auto和decltype的使用三个方面深入讲解类型推断。

模板类型推断

模板类型推断在C++98中就已经引入了，它也是理解auto与decltype的基石。下面是一个函数模板的通用例子：

template <typename T>
void f(ParamType param);

f(expr);   // 对函数进行调用

编译器要根据expr来推断出T与ParamType的类型。特别注意的是，这两个类型有可能并不相同，因为ParamType可能会包含修饰词，比如const和&。看下面的例子：

template <typename T>
void f(const T& param);

int x = 0;
f(x);   // 使用int类型调用函数

此时类型推断结果是：T的类型是int，但是ParamType的类型却是const int&。所以，两个类型并不相同。还有，你可能很自然地认为T的类型与表达式expr是一样的，比如上面的例子：两者是一样的。但是实际上这也是误区：T的类型不仅取决于expr，也与ParamType仅仅相关。这存在三种不同的情形：

情形1：ParamType是指针或者引用类型

最简单的情况ParamType是指针或者引用类型，但不是通用引用类型（&&）。此时，类型推断要点是：
1. 如果expr是引用类型，那就忽略引用部分；
2. 通过相减expr与ParamType的类型来决定T的类型。

比如，下面是引用类型的例子：

template <typename T>
void f(T& param);  // param是引用类型

int x = 27;      // x是int类型
const int cx = x;  // cx是const int类型
const int& rx = x;   // rx是const int&类型

f(x);   // 此时T为int，而param是int&
f(cx);  // 此时T为const int，而param是const int&
f(rx);  // 此时T为const int，而param是const int&

其中可以看到，const对象传递给接收T&参数的函数模板时，const属性是能够被T所捕获的，即const称为T的一部分。同时，引用类型对象的引用属性是可以忽略的，并没有被T所捕获。上面处理的其实是左值引用，对于右值引用，规则是相同的，但是右值引用的通配符T&&还有另外的含义，会在后面讲。

如果param是常量引用类型，推断也是相似的，尽管有些区别：

template <typename T>
void f(const T& param);  // param是常量引用类型

int x = 27;      // x是int类型
const int cx = x;  // cx是const int类型
const int& rx = x;   // rx是const int&类型

f(x);   // 此时T为int，而param是const int&
f(cx);  // 此时T为int，而param是const int&
f(rx);  // 此时T为int，而param是const int&

指针类型也同样适用：

template <typename T>
void f(T* param);      // param是指针类型

int x = 27;    // x是int
int* px = &x;  // px是int*
const int* cpx = &x;  // cpx是const int*

f(px);   // 此时T是int，而param是int*
f(cpx);  // 此时T是const int，而param是const int*

显然，这种情形类型推断很容易。

情形2：ParamType是通用引用类型(&&)

这种情形有点复杂，因为通用引用类型参数与右值引用参数的形式是一样的，但是它们是有区别的，前者允许左值传入。类型推断的规则如下：
1. 如果expr是左值，T和ParamType都推导为左值引用，尽管其形式上是右值引用（此时仅把&&匹配符，一旦匹配是左值引用，那么&&可以忽略了）。
2. 如果expr是右值，可以看成情形1的右值引用。

规则有点绕，还是例子说话：

template <typename T>
void f(T&& param);     // 此时param是通用引用类型

int x = 10;     // x是int
const int cx = x;   // cx是const int
const int& rx = x;   // rx是const int&

f(x);      // 左值，T是int&，param是int&
f(cx);     // 左值，T是const int&，param是const int&
f(rx);    // 左值，T是const int&，param是const int&
f(10);    // 右值，T是int，而param是int&&

所以，只要区分开左值与右值传入，上面的类型推断就清晰多了。

情形3：ParamType不是指针也不是引用类型

如果ParamType既不是引用类型，也不是指针类型，那就意味着函数的参数是传值了：

template <typename T>
void f(T param);   // 此时param是传值方式

传值方式意味着param是传入对象的一个新副本，相应地，类型推断规则为：
1. 如果expr类型是引用，那么其引用属性被忽略；
2. 如果忽略了expr的引用特性后，其是const类型，那么也忽略掉。

下面是例子：

int x = 10;         // x是int
const int cx = x;   // cx是const int
const int& rx = x;   // rx是const int&

f(x);          // T和param都是int
f(cx);         // T和param还是int
f(rx);         // T和param仍是int

其实上面的规则不难理解，因为param是一个新对象，不论其如何改变，都不会影响传入的参数，所以引用属性与const属性都被忽略了。但是有个特殊的情况，当你送入指针变量时，会有些变化：

const char* const ptr = "Hello, world";  // ptr是一个指向常量的常量指针
f(ptr);

尽管还是传值方式，但是复制是指针，当然改变指针本身的值不会影响传入的指针值，所以指针的const属性可以被忽略。但是指针指向常量的属性却不能忽略，因为你可以通过指针的副本解引用，然后就修改了指针所指向的值，原来的指针指向的内容也会跟着变化，但是原来的指针指向的是const对象。矛盾会产生，所以这个属性无法忽略。因此，ptr的类型是const char*。

尽管前面三种情况已经包含了可能，但是对于特定函数参数，仍然会有特殊情况。第一情况是传入的参数是数组，我们知道如果函数参数是数组，其是当做指针来处理的，所以下面的两个函数声明是等价的：

void fun(int arr[]);   // 数组形式
void fun(int* arr);    // 指针形式
// 两者是等价的

所以，对于函数模板类型推断来说，数组参数推断的也是指针类型，比如传值方式：

template <typename T>
void f(T param);   // 传值方式

const char[] name = "Julie";   // name是char[6]数组
f(name);                  // 此时T和param是const char*类型

但是如果是引用方式，事情就发生了变化，此时数组不再被当做指针类型，而就是固定长度的数组。所以：

template <typename T>
void f(T& param);          // 引用类型

const char[] name = "Julie";   // name是char[6]数组
f(name);                  // 此时T是const char[6]，而param类型是const char (&)[6]

显然与传值方式不同，很难让人理解，但是事实就是如此。但是这也暴漏了一个事实：数组的引用利用函数模板可以推导出数组的大小，下面是一个可以返回数组大小的函数实现：

template <typename T, std::size_t N>
constexpr std::size_t arraySize(T (&)[N]) noexcept
{
    // 由于并不实际需要数组，只用到其类型推断，所以不需要参数
    return N;
}

int arr[] = {1, 3, 7, 2, 9};
const int size = arraySize(arr);  // 5

真实很神奇的一个函数，但是一切又合情合理！

另外一个特殊情况就是传递的参数是函数，其实也是当做指针，和数组参数类似：

template <typename T>
void f1(T param);       // 传值方式

template <typename T>
void f2(T& param);       // 引用方式

void someFun(int);  // 类型为void (int)

f1(someFun);         // T和param是 void (*) (int)类型
f2(someFun);         // T是void (int)（不是指针类型），但param是void (&) (int)类型
// 尽管如此，实际使用时差别不大，用于回调函数时，一般不会去修改那个函数吧

auto类型推断

C++11引入了auto关键字，用于变量定义时的类型自动推断。从表面上看，auto与模板类型推断的作用对象是不一样的。但是两者实际上是一致的，函数模板推断的任务是：

template <typename T>
void f(ParamType param);

f(expr);   // 根据expr类型推导出T和ParamType的类型

编译器要根据expr类型推导出T和ParamType的类型。移植到auto上是那么容易：把auto看成函数模板中的T，而把变量的实际类型看成ParamType。这样我们可以把auto类型推断转换成函数模板类型推断，还是例子说话：

// auto推断例子
auto x = 10;
const auto cx = x;
const auto& rx = x;

// 传化为模板类型推断
template <typename T>
void f1(T param);
f1(10);          

template <typename T>
void f2(const T param);
f2(x);  

template <typename T>
void f3(const T& param);
f3(x);  

显然，很容易推断出各个变量的类型。前面说到，函数模板类型推断有三种情况，那么对于auto来说，仍然有三种情形：
1. 类型修饰符是一个指针或者引用，但是不是通用引用；
2. 类型修饰符是一个通用引用；
3. 类型修饰符不是指针，也不是引用。

下面是具体例子：

const int N = 2;
auto x = 10;   // 情形3: int
const auto cx = x; // 情形3： const int
const auto& rx = x;  // 情形1：const int&
auto y = N;         // 情形3： int

// 情形2
auto&& y1 = x;   // 左值：int&
auto&& y2 = cx;  // 左值: const int&
auto&& y3 = 10;  // 右值：int&&

可以看到，auto与函数模板类型推断本质上是一致的。但是有一个特殊情况，那就是C++11支持统一初始化方式：

// 等价的初始化方式
int x1 = 9;
int x2(9);
// 统一初始化
int x3 = {9};
int x4{9};

上面的4种方式都可以用来初始化一个值为9的int变量，那么你可能会想下面的代码是同样的效果：

auto x1 = 9;
auto x2(9);
auto x3 = {9};
auto x4{9};

但是实际上不是这样：对于前两个，确实是初始化了值为9的int类型变量，但是后两者确是得到了包含元素9的std::initialzer_list<int>对象（初始化列表），这算是auto的一个特例吧。但是这对函数模板类型推断并不适用：

auto x = {1, 3, 5}  // 合法：std::initializer_list<int>类型

template<typename T>
void f(T param);

f({1, 3, 5});  // 非法，无法编译：不能推断出T的类型

// 可以修改成下面
template <typename T>
void f2(std::initializer_list<T> param);

f2({1, 3, 5});  // 合法:T是int，param是std::initializer_list<int>

上面讲的都是关于auto用于变量定义时的类型推断。但是C++14中auto还可以用于函数返回类型的推断以及泛型lambda表达式（其参数支持自动推断类型）。如下面的例子：

// C++14功能
// 定义一个判断是否大于10的泛型lambda表达式
auto isGreaterThan10 = [] (auto i) { return i > 10;};

bool r = isisGreaterThan10(20);  // false

// auto用于函数返回类型自动推断
auto multiplyBy2Lambda(int x)
{
    return [x] {return 2 * x;};
}

auto f = multiplyBy2Lambda(4);
cout << f() << endl;   // 8

这些例子是auto用于模板类型推断，不同于前面的定义变量时的类型推断，不能使用初始化列表来推断：

// 以下都是无法编译的
auto createList()
{
    return {1, 3, 5};
}

auto f = [](auto v) {};
f({1, 3, 5});

总之，auto与模板类型推断是一致的，除了要注意初始化列表这种特殊情况。

decltype关键字

decltype用于返回某一实体（变量名与表达式）的类型。我们从最简单的例子开始：

const int x = 0;   // decltype(x)是const int

struct Point {int x; int y;};
Point p{2, 5};
// decltype(Point::x)是int; decltype(p.x)是int

bool f(int x);

// decltype(f)是bool(int)
// decltype(f(2.0))是bool

vector<int> v{2, 5};
// decltype(v)是vector<int>
// decltype(v[0])是int&

大部分情况，decltype按照你所预料的方式工作：decltype用于一个变量名时，返回的正是该变量所对应的类型；用于函数返回值也正是函数返回值类型。但是当用于左值表达式时，decltype推断出的类型却一定是一个引用类型，看下面的例子：

int x = 10;
// decltype(x)是int，但是decltype((x))确是int&

struct A {double x;};
const A* a = new A{2.0};
// decltype(a->x)是double，但是decltype((a->x))确是const double&

让人感觉非常奇怪。其实广泛的C++表达式（字面值，变量名，表达式等等）包含两个独立的属性：类型（type）和值种类（value category)。这里的类型指的是非引用类型，而值种类有三个基本类型：xvalue,lvalue和prvalue。当decltype作用于不同值种类的表达式上，其效果不一样。具体可以参考这里（反正有点复杂）。

上面的简单了解就好，因为用的并不是太多。而decltype的一个很重要的应用是在函数模板中的返回值类型推断。这里举个例子：你想写一个函数，这个函数接收两个参数，一个支持索引操作符的容器对象，一个是索引参数；函数验证用户身份，然后返回值这个容器对象在该索引值处的元素，要求其返回类型与容器对象索引操作返回值类型一样。此时就可以使用decltype，先看一下下面的实现：

// C++11
template <typename Container, typename Index>
auto authAndAccesss(Container& c, Index i)
    ->decltype(c[i])
{
    // 验证用户
    // ...
    return c[i];
}

这种实现使用了C++11中的“拖尾返回类型”：函数返回类型要在参数列表之后声明（使用->分割），使用“拖尾返回类型”，我们可以利用函数的参数来推断返回类型：上面就用了c[i]来推断返回值类型。还有注意的是上面的auto没有推断功能，仅仅是指明使用了“拖尾返回类型”。大家可能会想，为什么不把decltype(c[i])直接替换auto的位置？这样是不行的，因为此时函数参数还没有被创建！

但是C++14允许你省略掉拖尾部分：

// C++14
template <typename Container, typename Index>
auto authAndAccesss(Container& c, Index i)
{
    // 验证用户
    // ...
    return c[i];
}

此时仅留下auto，此时auto真正用于返回值类型推断：即根据返回值表达式c[i]来推断返回类型。此时，问题来了。我们知道容器的索引操作返回的大部分是引用类型，但是auto推导类型时，会忽略c[i]的引用属性，那么函数返回值是一个右值（尽管我们希望它仍然是左值），下面的代码就存在问题：

vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};

authAndAccess(v, 2) = 10;   // 无法编译：无法对右值赋值

我们知道decltype(c[i])是可以正常推断的，所以，为了解决上面的问题，C++14引入了decltype(auto)标识符：auto说明类型需要推断，decltype说明类型推断要使用decltype规则。所以，再次修改代码：

template <typename Container, typename Index>
decltype(auto) authAndAccesss(Container& c, Index i)
{
    // 验证用户
    // ...
    return c[i];
}

此时，如果c[i]的返回类型是引用类型，那么函数的返回类型也是引用类型。其实decltype(auto)还可以用于声明变量：

int x = 10;
const int& cx = x;

auto y = cw;   // 类型是int
decltype(auto) z = cw;  // 类型是const int&

对于修改版本的authAndAccesss，一个问题你只能传递左值引用的容器对象，并且该对象不能是常量左值引用。但是我们想既可以传递左值又可以传递右值，这个时候你需要使用&&通用引用：

template <typename Container, typename Index>
decltype(auto) authAndAccesss(Container&& c, Index i)
{
    // 验证用户
    // ...
    return std::forward(c)[i];
}

其中std::forward函数是专门处理通用引用类型参数的，基本上就是传入的参数是右值，转化的还是右值引用，如果是左值，那么转化的是左值引用，具体可以参考这里。

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终于完了，本教程算是《Effective Modern C++》第一章的学习笔记，当然加入了自己的理解，有任何问题可以参考原书。