C++11 中的类型推断是什么

引言

C++中的“类型推导”是该语言的另一个强大之处，它使编译器能够根据变量的初始值或变量的使用上下文来声明类型。还可以使用诸如auto和decltype之类的保留关键字，它们指示编译器推导类型。它减少了代码的复杂性，并确保在需要时，方法体不会重复，从而提高了处理迭代器、lambda表达式或模板等复杂数据类型时的可维护性。例如，使用auto转换表达式可以使变量类型从表达式中推导出来，从而使代码更简洁、更短。这意味着，例如，如果一个人通过模板进行编程，并且想要编写函数和类，他们就不需要提前知道特定类型，类型推导通常非常有帮助。这种灵活性提高了C++的性能和灵活性，是一个很大的优点，但类型安全性仍然非常高，大多数与类型相关的错误都能在编译时检测到。掌握类型推导的概念可以帮助您编写高效且现代的C++代码。

为什么在11版本中添加类型推导？

在C++11中，添加了标准符号类型推导，以允许开发人员编写更少的代码，花费更少的时间进行维护，并避免在复杂且富含模板的代码中出现重复模式。在C++11之前，程序员必须指定他们使用的变量类型，特别是在涉及迭代器、函数指针以及最近的模板实例化等更复杂的变量时。通过auto和decltype，C++11标准为这些声明提供了类型推导的语法，从而减少了实现所需代码量。

泛型编程和模板元编程的使用增加也需要类型推导。在这些情况下，函数和类操作的是未知类型，类型推导的使用使编译器负责决定要使用的类型，这使得模板比普通类更强大。这也帮助简化了开发周期，并将C++定位为遵循现代编程范例，在这些范例中，可以在不牺牲类型安全性和性能的情况下提高代码效率。总而言之，类型推导是简化C++语言的重要步骤之一。

示例 1

让我们来看一个使用C++11引入的auto和decltype关键字的C++程序。

输出

 
x: 42
y: 3.14
z: Hello
First element in vec: 1
anotherVar: 100   

说明

该代码演示了C++11的类型推导如何使用auto和decltype关键字工作。

• 使用auto
  
  • auto x = 42; 意味着编译器必须确定最适合x的数据类型。这是因为42是一个整数，因此，x的值被推导为int。
  • auto y = 3.14; 由于3.14是浮点数，因此将y推导为double。
  • auto z = "Hello"; 将z推导为const char*（C风格字符串）。
• 推导迭代器类型
  
  • std::vector<int> vec = 下面的语句创建一个整数向量； vector<int> vec = {1,2,3,4,5}。
  • auto it = vec.begin(); 将it推导为std::vector<int>::iterator，它指向向量的第一个元素。
• 使用decltype
  
  • decltype(x) anotherVar = 100; 将anotherVar的类型推导为int，这是x的类型。

示例 2

让我们来看另一个使用auto和decltype的C++程序，特别是用于函数返回类型和lambda表达式。

输出

 
a: 10, b: 5.5, c: 15.5
Result of multiply(a, b): 55
Iterator points to: 3   

说明

• 简单的auto推导
  
  • auto a = 10; 返回一个int类型的变量a。
  • auto b = 5.5; 将b推导为double。
  • auto c = a + b; 将c推导为double，这是因为将int与double相加。
• Lambda函数推导
  
  • lambda multiply在其参数列表中对auto进行引用，因此在调用时，无法推断类型。它应该能够处理参与乘法运算的任何类型。
• decltype用法
  
  • decltype(a) 推导出a的类型（即int）并将其赋值给结果。但是，lambda multiply(a, b)返回的值基于a和b的类型。
• 迭代器
  
  • auto it = std::find(...) 根据向量推断出迭代器类型，并且对于处理其他STL容器（如向量）很有用。

类型推导的缺点

• 失去明确性
  类型推导可能会对代码质量产生负面影响，使其更难阅读，特别是当处理复杂类型时。人们不确定变量持有的类型，因此很难维护或调试。
• 意外类型推导的可能性
  编译器可能会推断出与程序员意图不同的类型。例如，如果程序员打算将字面量设为long类型，则可能会将“整数字面量”推导为int。
• 更难理解的错误
  当类型推导导致某些其他类型时，编译器生成的错误消息通常不是很有用——至少不容易诊断——尤其是在模板的情况下。
• 性能影响
  存在类型推导推导出更低级类型的可能性。例如，当您需要处理容器迭代器时，使用auto可能会导致编译器错过一些优化机会，如果推导的类型不正确。
• 隐式转换
  通常会在程序员不知情的情况下执行特殊的隐式转换，这可能会导致精度损失（例如，推导int而不是double）。

类型推导的应用

C++中的类型推导具有许多实际应用，可增强代码的灵活性、可读性和可维护性。一些关键应用包括：

• 泛型编程
  
  • 类型推导是模板编程中的关键概念之一，因为它有助于函数和类使用任何类型，而无需提及。这在标准模板库（STL）容器（如std::vector）中很常见，其中向量的元素可以是任何类型。

• 简化复杂类型
  
  • 最后，在复杂类型（例如迭代器、函数指针和lambda表达式）的情况下应用类型推导是值得的。Auto有助于避免冗长而复杂的类型声明，这些声明对于静态类型是必需的。

• 处理Lambda中的返回类型
  
  • 类型推导（Type inference - deduction）用于lambda表达式，在这种情况下，开发人员在使代码更高效和敏捷的同时，无需显式声明返回类型。

• 与API交互
  
  • 很多时候，API会返回复杂的类型，如迭代器或函数对象。动态类型使消费者无需理解类型契约即可获取返回类型信息，并使处理第三方API更加方便。

• 避免类型声明中的重复
  
  • Auto可以节省大量编写类型标识符，尤其是在声明多个相同类型的变量时，从而提高了代码的可读性。

• 元编程
  
  • 在更高级别的元编程中，类型推导支持动态类型解析和编译时模板的增强。

结论

总而言之，C++11中使用类型推导有益，因为它更有效率，并且当编译器负责确定值类型时，代码更易读，更易于维护。Auto和decltype使开发人员能够通过使用迭代器、lambda表达式和模板等复杂类型来降低代码的复杂性。这一添加使泛型编程更简单，不再有重复的代码，并使C++符合当今的做法。然而，它应该谨慎使用，因为它存在一些缺点，可能导致其他问题，例如意外的类型推导等，这可能会增加调试难度和代码维护时间。尽管如此，类型推导形式的静态类型对于生成清晰、高效且易于扩展的C++代码至关重要，并让程序员更多地考虑算法而不是类型。它被包含在C++11中，并为编程语言的进步做出了贡献，以满足当今编程的需求，同时保留静态类型系统和效率的特征。