理解decltype

Item 3:理解decltype

Posted by boydfd on 2016-01-01 00:00:00 +0800

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本文翻译自《effective modern C++》,由于水平有限,故无法保证翻译完全正确,欢迎指出错误。谢谢!

decltype是一个奇怪的东西。给出一个名字或者一个表达式,decltype可以告诉你名字或表达式的类型。大多情况下,他告诉你的就是确实你想的那样。但是偶尔,他会提供一个脱离你想象的结果,这导致了你必须去找一本参考书或者去在线Q&A网站寻求答案。

我们从一般情况(没有意外的结果)开始。对比template和auto的类型推导,decltype能返回给你真实的名字或表达式:

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

bool f(cosnt Widget& w);	//decltype(w)是const Widget&
							//decltype(f)是bool(const Widget&)

struct Point {
	int x, y;				//decltype(Point::x)是int
};							//decltype(Point::y)是int

Widget w;					//decltype(w)是Widget

if(f(w))...					//decltype(f(w))是bool

template<template T>
class vector{
public:
	...
	T& operator[](std::size_t index);
	...
};

vector<int> v;				//decltype(v)是vector<int>
...
if(v[0] == 0)...			//decltype(v[0])是int&

看吧,没有任何的意外之处。

在C++11中,也许decltype最主要的用途就是用来声明 返回值类型依赖于参数类型的 函数模板。举个例子,假设你要写一个函数,这个函数需要一个支持下标操作(”[]”)的容器,然后根据下标操作来识别出用户,函数的返回值类型应该和下标操作的类型相同。

以T为元素类型的容器,operator[]操作通常返回T&,比方说,这是std::deque的情况,这也是std::vector的大多数情况。然而,对于std::vector<booL>,operator[]操作不返回bool&。取而代之的,它返回一个表示同样值的新对象,对于这种情况的讨论将放在item 6,但是在这里,重点是:operator[]函数返回的类型取决于容器的类型。

decltype让表达式变得简单。我们将写下第一个template,展示如何用decltype计算返回值。template可以进一步精炼,但是我们先写成这样:

template<typename Container,typename Index>
auto authAndAccess(Container& c, Index i)	//需要精炼
	->decltype(c[i])
{
	authenticateUser();
	return c[i];
}

函数前面的那个auto的使用没有做任何类型的推导。当然了,这标志着C++11使用了返回值类型后置的语法。也就是,函数的返回值类型将跟在参数列表(”->”的购买)后面声明。一个后置的返回类型拥有一个优点,就是函数的参数能用来确定返回值类型。在authAndAccess中,为了举例,我们用c和i来明确函数的返回值类型。按传统的使用方法,我们让返回值类型处于函数名的前面,那么c和i就不能使用了,因为解析到这时,他们还没被声明出来。

使用这个声明方式,就和我们的需求一样,authAndAccess根据我们传入的容器,以这个容器的operator[]操作返回的类型来作为它自身的返回值类型。

C++11允许我们推导一些比较简单的lambdas表达式的返回类型,并且在C++14中,把这种推导扩张到了所有的lambdas表达式和所有的函数中,包括那些有多条语句的复杂的函数。在authAndAccess中,这意味着在C++14中,我们能忽略返回值类型,只需使用auto即可。在这样的声明形式下,auto意味着类型推导将会发生。尤其是,它意味着编译器将会根据函数的实现来推导函数的返回值类型。

template<typename Container, typename Index>
auto authAndAccess(Container& c, Index i) //需要精炼
{
	authenticateUser();
	return c[i];
}

Item 2解释了一个返回auto的函数,编译器采用template的类型推导规则。在这种情况下,这是有问题的。就像我们讨论的那样,对于大多数容器,operator[]返回的是T&,但是Item 1解释了在template类型推导中,表达式的引用属性会被忽略(情况3),考虑下这对于客户代码意味着什么:

std::deque<int> d;
...
authAndAccess(d, 5) = 10; 	//这会返回d[5],然后把10赋给它。
							//但是这会出现编译错误(给一个右值赋值)

这里,d[5]返回一个int&,但是对authAndAccess的auto返回类型的推导将去掉引用属性,这产生了一个int类型,int是函数的返回值类型,是一个右值,然后这段代码尝试给一个右值int赋值一个10.这在C++中是禁止的,所以代码无法编译。

为了让authAndAccess能工作地像我们希望的那样,我们需要对返回值类型使用decltype类型推导,也就是明确authAndAccess应该返回表达式c[i]返回的类型。C++的规则制定者,预料到了在一些类型需要推测的情况下,用decltype类型推导规则来推导的需求,所以在C++14中,通过decltype(auto)类型说明符来让之成为可能。这一开始看起来可能有点矛盾的东西(decltype和auto)确实完美地结合在一起:auto明确了类型需要被推导,decltype明确了推导时使用decltype推导规则。因此我们像这样能写出authAndAccess的代码:

template<typename Container, typename Index>
decltype(auto)
authAndAccess(Container& c, Index i) //需要精炼
{
	authenticateUser();
	return c[i];
}

现在authAndAccess能真实地返回c[i]返回的类型了。尤其是对于一些c[i]返回一个T&的情况,authAndAccess也会返回一个T&,并且在不寻常的情况下,当c[i]返回一个对象,authAndAccess也会返回一个对象。

decltype(auto)的使用不止局限于函数返回类型,当你对正在初始化的表达式使用decltype类型的类型推导规则时,它也能很方便地用在变量的声明上:

Widget w;

cosnt Widget& cw = w;

auto myWidget1 = cw;	//myWidget1的类型是Widget

decltype(auto) myWidget2 = cw
						//myWidget2的类型是const Widget&

我知道现在有两件事困扰着你,一个是我上面提到却没有讨论的对于authAndAccess的精炼,现在让我们处理它:

再一次看一下C++14版本的authAndAccess的声明:

template<typename Container, typename Index>
decltype(auto) authAndAccess(Container& c, Index i);

容器以非const左值引用(lvalue-reference-to-non-cosnt)的方式传入,因为一个对元素的引用允许客户更改容器,但是这意味着我们不能传一个rvalue容器给这个函数。rvalue不能和lvalue引用绑定(除非他们是const左值引用(lvalue-references-to-const),但是这里不是)。

公认地,传一个rvalue的容器给authAndAccess是很罕见的情况。一个rvalue容器是一个临时对象,它在authAndAccess的调用语句结束的时候就会被销毁,这意味着对这样一个容器(authAndAccess的返回值)的引用在语句结束时会产生未定义的结果。但是,传递一个临时变量给authAndAccess还是有意义的。一个客户可能简单地想产生临时容器中元素的一份拷贝,举个例子:

std::deque<std::string> makeStringDeque();

//拷贝一份makeStringDeque返回的deque的下标为5的元素
auto s = authAndAccess(makeStringDeque(), 5);

为了支持这样的使用,意味着我们需要修改authAndAccess的声明,让它能同时接受lvalues和rvalues。重载可以很好的工作(一个接受lvalue引用参数的函数,一个接受rvalue引用参数的函数),但是这样的话会我们需要维护两个函数。一个避免这样的方法是使用一个引用参数(universal引用),它能同时接受lvalues和rvalues,在Item 24中会解释universal引用具体做了什么。因此authAndAccess能声明成这样:

template<typename Container, typename Index>
decltype(auto) authAndAccess(Container&& c, Index i);

在这个template中,我们不知道容器的类型,所以,这意味着我们同样不知道容器对象使用的索引类型。对于未知对象使用传值(pass-by-value)方式通常会因为没必要的拷贝而对效率产生很大的影响,以及对象切割(Item 41)的问题,并会被我们的同事嘲笑,但是在容器索引的使用上,跟随标准库(比如,std::string,std::vector以及std::deque的operator[])的脚步看起来是合理的。所以我们将坚持以传值(pass-by-value)的方式使用它。

然而,我们需要使用std::forward更新template对universal引用的实现来让它符合Item 25的告诫。

template<typename Container, typename Index>
decltype(auto)
authAndAccess(Container&& c, Index i)
{
	authnticateUser();
	return std::forward<Container>(c)[i];
}

这个例子应该会做到所有我们想要的事情了,但是它需要C++14的编译器。如果你没有,你将需要使用C++11版本的template。除了你需要自己明确返回值类型外,它和C++14的版本是一样的:

template<typename Container, typename Index>
auto
authAndAccess(Container&& c, Index i)
    -> decltype(std::forward<Container>(c)[i])
{
	authnticateUser();
	return std::forward<Container>(c)[i];
}

另一个可能纠缠你的问题是我在一开始的评论,我说decltype在大多数情况下会产生你想要的类型,几乎不会带来意外。老实说,你不太可能遇到这些例外规则除非你是一个大型库的实现者。

为了完全理解decltype的行为,你必须让你自己熟悉一些特殊情况。大多数这些情况都太隐晦了所以不会确切地在书中讨论,但是为了看清楚decltype的内部情况以及他的使用需要借助这种情况。

应用decltype来产生一个名字(name)的类型,如果名字(name)是左值表达式,不影响decltype的行为。比起名字(names)lvalue表达式更加复杂,然而decltype保证推导的类型总是lvalue引用。那就是,一个lvalue表达式除了name会推导出T,其他情况decltype推导出来的类型就是T&。这很少有影响,因为大多数lvalue表达式本质上包含一个lvalue引用的修饰符。比如函数返回lvalues时,它总是返回左值引用。

这里有一个隐含的行为值得你去意识到,在

int x = 0;

中x是一个变量的名字,所以decltype(x)是int,但是如果把x包装在括号中—“(x)”—将产生一个比名字更复杂的表达式。作为一个名字,x是一个lvalue,并且C++定义表达式(x)也是一个左值。decltype((x))因此是int&。把括号放在name的两旁将改变decltype推导出来的类型。

在C++11中,没什么好奇怪的,但是结合C++14对decltype(auto)的支持,这意味着你在函数中写的返回语句将影响到函数类型的推导:

decltype(auto) f1()
{
	int x = 0;
	...
	return x;	//decltypex(x)是int,所以f1返回int
}

decltype(auto) f2()
{
	int x = 0;
	...
	return (x);	//decltype((x))是int&,所以f2返回int&
}

记住f2不仅仅是返回值和f1不同,它还返回了一个局部变量。这是一种把你推向未定义行为的陷阱代码。

最重要的教训就是,在使用decltype(auto)的时候小心再小心。在表达式中,对类型的推导看起来无关紧要的细节能影响到decltype(auto)的推导。为了保证类型的推导和你想的一样,请使用Item 4描述的方法。

同时,不要忽视大局。当然,decltype(包括单独使用以及和auto一起使用)可能偶尔产生出意外的类型,但是那不是通常的情况。通常,decltype产生你想要的类型。当decltype应用在name时,它总产生你想要的情况,在这情况下,decltype就像听起来那样:它推导出name的声明类型。

            你要记住的事
  • decltype大多数情况下总是不加修改地产出变量和表达式的类型
  • 对于T类型的lvalue表达式,decltype总是产出T&。
  • C++14支持decltype(auto),和auto一样,他从一个初始化器中推导类型,只不过使用的是decltype类型推导规则。