C++17中那些值得關注的特性（上）

C++17標準在2017上半年已經討論確定，正在形成ISO標準文件，今年晚些時候會正式釋出。本文將介紹最新標準中值得開發者關注的新特新和基本用法。

總的來說C++17相比C++11的新特性來說新特性不算多，做了一些小幅改進。C++17增加了數十項新特性，值得關注的特性大概有下面這些：

• constexpr if
• constexpr lambda
• fold expression
• void_t
• structured binding
• std::apply, std::invoke
• string_view
• parallel STL
• inline variable

剩下的有一些來自於boost庫，比如variant,any、optional和filesystem等特性，string_view其實在boost裡也有。還有一些是語法糖，比如if init、deduction guide、guaranteed copy Elision、template、nested namespace、single param static_assert等特性。我接下來會介紹C++17主要的一些特性，介紹它們的基本用法和作用，讓讀者對C++17的新特性有一個基本的瞭解。

fold expression

C++11增加了一個新特性可變模版引數（variadic template）,它可以接受任意個模版引數在引數包中，引數包是三個點…，它不能直接展開，需要通過一些特殊的方法才能展開，導致在使用的時候有點難度。現在C++17解決了這個問題，讓引數包的展開變得容易了，Fold expression就是方便展開引數包的。

fold expression的語義 
fold expression有4種語義：

1. unary right fold (pack op …)
2. unary left fold (… op pack)
3. binary right fold (pack op … op init)
4. binary left fold (init op … op pack)

其中pack代表變參，比如args，op代表操作符，fold expression支援32種操作符：

+ - * / % ^ & | = < > << >> += -= *= /= %= ^= &= |= <<= >>= == != <= >= && || , .* ->*

unary right fold的含義

fold (E op …) 意味著 E1 op (… op (EN-1 op EN)).

顧名思義，從右邊開始fold，看它是left fold還是right fold我們可以根據引數包…所在的位置來判斷，當引數包…在操作符右邊的時候就是right fold，在左邊的時候就是left fold。我們來看一個具體的例子：

template<typename... Args>
auto add_val(Args&&... args) {
    return (args +  ...);
}

auto t = add_val(1,2,3,4); //10

right fold的過程是這樣的：(1+(2+(3+4)))，從右邊開始fold。

unary left fold的含義

fold (… op E) 意味著 ((E1 op E2) op …) op EN。

對於+這種滿足交換律的操作符來說left fold和right fold是一樣的，比如上面的例子你也可以寫成left fold。

template<typename... Args>
auto add_val(Args&&... args) {
    return (... + args);
}

auto t = add_val(1,2,3,4); //10

對於不滿足交換律的操作符來說就要注意了，比如減法。

template<typename... Args>
auto sub_val_right(Args&&... args) {
    return (args - ...);
}


template<typename... Args>
auto sub_val_left(Args&&... args) {
    return (... - args);
}

auto t = sub_val_right(2,3,4); //(2-(3-4)) = 3
auto t1 = sub_val_left(2,3,4); //((2-3)-4) = -5

這次right fold和left fold的結果就不一樣。

binary fold的含義

Binary right fold (E op … op I) 意味著 E1 op (… op (EN-1 op (EN op I)))。

Binary left fold (I op … op E) 意味著 (((I op E1) op E2) op …) op E2。

其中E代表變參，比如args，op代表操作符，I代表一個初始變數。

二元fold的語義和一元fold的語義是相同的，看一個二元操作符的例子：

template<typename... Args>
auto sub_one_left(Args&&... args) {
    return (1 - ... - args);
}

template<typename... Args>
auto sub_one_right(Args&&... args) {
    return (args - ... - 1);
}

auto t = sub_one_left（2，3，4);// (((1-2)-3)-4) = -8
auto t1 = sub_one_right（2，3，4);//(2-(3-(4-1))) = 2

相信通過這個例子大家應該對C++17的fold expression有了基本的瞭解。

comma fold

在C++17之前，我們經常使用逗號表示式和std::initializer_list來將變參一個個傳入一個函式。比如像下面這個例子：

template<typename T>
void print_arg(T t)
{
    std::cout << t << std::endl;
}

template<typename... Args>
void print2(Args... args)
{
    //int a[] = { (printarg(args), 0)... };
    std::initializer_list<int>{(print_arg(args), 0)...};
}

這種寫法比較繁瑣，用fold expression就會變得很簡單了。

template<typename... Args>
void print3(Args... args)
{
    (print_arg(args), ...);
}

這是right fold，你也可以寫成left fold，對於comma來說兩種寫法是一樣的，引數都是從左至右傳入print_arg函式。

template<typename... Args>
void print3(Args... args)
{
    (..., print_arg(args));
}

你也可以通過binary fold這樣寫：

template<typename ...Args>
void printer(Args&&... args) {
    (std::cout << ... << args) << '\n';
}

也許你會覺得能寫成這樣：

template<typename ...Args>
void printer(Args&&... args) {
    (std::cout << args << ...) << '\n';
}

但這樣寫是不合法的，根據binary fold的語法，引數包…必須在操作符中間，因此上面的這種寫法不符合語法要求。

藉助comma fold我們可以簡化程式碼，假如我們希望實現tuple的for_each演算法，像這樣：

for_each(std::make_tuple(2.5, 10, 'a'),[](auto e) { std::cout << e<< '\n'; });

這個for_each將會遍歷tuple的元素並列印出來。在C++17之前我們如果要實現這個演算法的話，需要藉助逗號表示式和std::initializer_list來實現，類似於這樣：

template <typename... Args, typename Func, std::size_t... Idx>
void for_each(const std::tuple& t, Func&& f, std::index_sequence<Idx...>) {
    (void)std::initializer_list<int> { (f(std::get<Idx>(t)), void(), 0)...};
}

這樣寫比較繁瑣不直觀，現在藉助fold expression我們可以簡化程式碼了。

template <typename... Args, typename Func, std::size_t... Idx>
void for_each(const std::tuple<Args...>& t, Func&& f, std::index_sequence<Idx...>) {
    (f(std::get<Idx>(t)), ...);
}

藉助coma fold我們可以寫很簡潔的程式碼了。

constexpr if

constexpr標記一個表示式或一個函式的返回結果是編譯期常量，它保證函式會在編譯期執行。相比模版來說，實現編譯期迴圈或遞迴，C++17中的constexpr if會讓程式碼變得更簡潔易懂。比如實現一個編譯期整數加法：

template<int N>
constexpr int sum()
{
    return N;
}

template <int N, int N2, int... Ns>
constexpr int sum()
{
    return N + sum<N2, Ns...>();
}

C++17之前你可能需要像上面這樣寫，但是現在你可以寫更簡潔的程式碼了。

template <int N, int... Ns>
constexpr auto sum17()
{
    if constexpr (sizeof...(Ns) == 0)
        return N;
    else
        return N + sum17<Ns...>();
}

當然，你也可以用C++17的fold expression：

template<typename ...Args>
constexpr int sum(Args... args) {
    return (0 + ... + args);
}

constexpr還可以用來消除enable_if了，對於討厭寫一長串enable_if的人來說會非常開心。比如我需要根據型別來選擇函式的時候：

template<typename T>
std::enable_if_t<std::is_integral<T>::value, std::string> to_str(T t)
{
    return std::to_string(t);
}

template<typename T>
std::enable_if_t<!std::is_integral<T>::value, std::string> to_str(T t)
{
    return t;
}

經常不得不分開幾個函式來寫，還需要寫長長的enable_if，比較繁瑣，通過if constexpr可以消除enable_if了。

template<typename T>
auto to_str17(T t)
{
    if constexpr(std::is_integral<T>::value)
        return std::to_string(t);
    else
        return t;
}

constexpr if讓C++的模版具備if-else if-else功能了，是不是很酷，C++程式設計師的好日子來了。

不過需要注意的是下面這種寫法是有問題的。

template<typename T>
auto to_str17(T t)
{
    if constexpr(std::is_integral<T>::value)
        return std::to_string(t);

        return t;
}

這個程式碼把else去掉了，當輸入如果是非數字型別時程式碼可以編譯過，以為if constexpr在模版例項化的時候會丟棄不滿足條件的部分，因此函式體中的前兩行程式碼將失效，只有最後一句有效。當輸入的為數字的時候就會產生編譯錯誤了，因為if constexpr滿足條件了，這時候就會有兩個return了，就會導致編譯錯誤。

constexpr if還可以用來替換#ifdef巨集，看下面的例子

enum class OS { Linux, Mac, Windows };

//Translate the macros to C++ at a single point in the application
#ifdef __linux__
constexpr OS the_os = OS::Linux;
#elif __APPLE__
constexpr OS the_os = OS::Mac;
#elif __WIN32
constexpr OS the_os = OS::Windows;
#endif

void do_something() {
     //do something general

     if constexpr (the_os == OS::Linux) {
         //do something Linuxy
     }
     else if constexpr (the_os == OS::Mac) {
         //do something Appley
     }
     else if constexpr (the_os == OS::Windows) {
         //do something Windowsy
     }

     //do something general
}
//備註：這個例子摘自https://blog.tartanllama.xyz/c++/2016/12/12/if-constexpr/

程式碼變得更清爽了，再也不需要像以前一樣寫#ifdef那樣難看的程式碼塊了。

constexpr lambda

constexpr lambda其實很簡單，它的意思就是可以在constexpr 函式中用lambda表示式了，這在C++17之前是不允許的。這樣使用constexpr函式和普通函式沒多大區別了，使用起來非常舒服。下面是constexpr lambda的例子：

template <typename I>
constexpr auto func(I i) {
  //use a lambda in constexpr context
  return [i](auto j){ return i + j; }; 
}

constexpr if和constexpr lambda是C++17提供的非常棒的特性，enjoy it.

string_view

string_view的基本用法

C++17中的string_view是一個char資料的檢視或者說引用，它並不擁有該資料，是為了避免拷貝，因此使用string_view可以用來做效能優化。你應該用string_view來代替const char和const string了。string_view的方法和string類似，用法很簡單：

const char* data = "test";
std::string_view str1(data, 4);
std::cout<<str1.length()<<'\n'; //4
if(data==str1)
    std::cout<<"ok"<<'\n';

const std::string str2 = "test";
std::string_view str3(str2, str2.size());

構造string_view的時候用char*和長度來構造，這個長度可以自由確定，它表示string_view希望引用的字串的長度。因為它只是引用其他字串，所以它不會分配記憶體，不會像string那樣容易產生臨時變數。我們通過一個測試程式來看看string_view如何來幫我們優化效能的。

using namespace std::literals;

constexpr auto s = "it is a test"sv;
auto str = "it is a test"s;

constexpr int LEN = 1000000;
boost::timer t;
for (int i = 0; i < LEN; ++i) {
    constexpr auto s1 = s.substr(3);
}
std::cout<<t.elapsed()<<'\n';
t.restart();
for (int i = 0; i < LEN; ++i) {
    auto s2 = str.substr(3);
}
std::cout<<t.elapsed()<<'\n';

//output
0.004197
0.231505

我們可以通過字面量””sv來初始化string_view。string_view的substr和string的substr相比，快了50多倍，根本原因是它不會分配記憶體。

string_view的生命週期

由於string_vew並不擁有鎖引用的字串，所以它也不會去關注被引用字串的生命週期，使用者在使用的時候需要注意，不要將一個臨時變數給一個string_view，那樣會導致string_view引用的內容也失效。

std::string_view str_v;
{
    std::string temp = "test";
    str_v = {temp};
}

這樣的程式碼是有問題的，因為出了作用域之後，string_view引用的內容已經失效了。

總結

本文介紹了C++17的fold expression、constexpr if、constexpr lambda和string_view。fold expression為了簡化可變模板引數的展開，讓可以模板引數的使用變得更簡單直觀；constexpr if讓模板具備if-else功能，非常強大。它也避免了寫冗長的enable_if程式碼，讓程式碼變得簡潔易懂了；string_view則是用來做效能優化的，應該用它來代替const char*和const string。

這些特性對之前的C++14和C++11做了改進和增強，非常酷，歡迎訂閱《程式設計師》，後續系列文章會接著介紹其他C++17中值得關注的新特性。