C++ 模板系列小结07-尾置返回类型

C++ 模板系列小结07-尾置返回类型

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在使用模板时可以显示指定模板类型,尤其是针对有返回类型的模板,显示指定可以避免类型转换带来的困扰。

但有时候显示指定模板实参类型会给用户增添额外负担,而且不会带来什么好处。

比如如下代码,接受表示序列的一对迭代器和返回序列中的一个元素的引用:

template<typename It>
??? &fcn(It beg,It end){
    return *beg;
}

我们并不知道返回结果的准确类型,但知道所需类型是所处理的序列的元素类型。

vector<int> vi = {1,2,3,4,5};
auto &i =fcn(vi.begin,vi.end());

如上代码,知道函数应该返回 *beg,而且知道我们可以用 decltype(*beg) 来获取此表达式的类型。

但是,在编译器遇到函数的参数列表之前,beg 都是不存在的。为此,我们需要使用尾置返回类型

由于尾置返回出现在参数列表之后,它可以使用函数的参数:

// 尾置返回允许在参数列表之后声明返回类型
template<typename It>
auto fcn(It beg,It end) -> decltype(*beg){
    return *beg;
}

在上面的例子中,fcn 的返回类型和解引用 beg 参数的结果类型相同。

解引用运算符返回一个左值,因此通过 decltype 推断的类型为 beg 表示的元素的类型的引用。

比如,如果对一个 string 序列调用 fcn,返回类型是 string& ,如果是 int 序列,返回类型是 int& 。

关于为何返回的类型是引用类型,可以回顾一下 decltype 的使用:

decltype 的使用

当希望从表达式的类型推断出要定义的变量的类型,但是不想用该表达式的值初始化变量。为了满足这一要求,C++11 新标准引入了类型说明符 decltype ,它的作用是选择并返回操作数的数据类型。

在此过程中,编译器分析表达式并得到它的类型,却不实际计算表达式的值。

int f(){
    return 1;
}

int main(){
    int x = 2;
    decltype(f()) sum = x;
    return 0;
}

如上代码所示,编译器并不实际调用函数 f ,而是使用当调用发生时 f 的返回值类型作为 sum 的类型。换句话说,编译器为 sum 指定的类型就是 f 被调用时返回的那个类型。

如果 decltype 使用的表达式是一个变量,则 decltype 返回该变量的类型(包括顶层 const 和引用在内)。

const int ci = 0, &cj = ci;
decltype(ci) x = 0;         // x 的类型是 const int
decltype(cj) y = x;         // y 的类型是 const int & ,y 绑定到变量 x
decltype(cj) z;             // z 是一个引用,必须初始化

如果 decltype 返回的变量类型是一个引用,那么对应的变量就必须初始化才行。

另外,如果 decltype 使用的表达式不是一个变量,则 decltype 返回表达式结果对应的类型。

有的表达式将向 decltype 返回一个引用类型。一般来说当这种情况发生时,意味着该表达式的结果对象能作为一条赋值语句的左值。

int i = 42,*p = &i, &r = i;
decltype(r + 0) b;      //正确:加法的结果是 int,因此 b 是一个未初始化的 int
decltype(*p) c;         //错误:c 是 int&,必须初始化

因为 r 是一个引用,因此 decltype(r) 必然是引用类型。如果想让结果是 r 所指的类型,可以把 r 作为表达式的一部分,如 r+0 ,显然这个表达式的结果将是一个具体指而非一个引用。

另外,如果一个表达式的内容是解引用操作,则 decltype 将得到引用类型。因为,解引用指针可以得到指针所指的对象,而且还能给这个对象赋值。因此,decltype(*p) 的结果就是 int& ,而非 int 。

另外,对于 decltype 所用的表达式来说,如果变量名加上了一对括号,则得到的类型与不加括号时会有不同。

如果 decltype 使用的是一个不加括号的变量,则得到的结果就是该变量的类型。如果给变量加上了一层或多层括号,编译器会把它当成一个表达式,而变量是一种可以作为赋值语句左值的特殊表达式,这是 decltype 就会得到引用类型。

decltype((i)) d;  // 错误,d 是引用类型, int& ,必须要初始化
decltype(i) e;      //正确,e 是未初始化的 int 

尾置返回元素为值而非引用

在前面的例子中,返回的是引用类型,但是有时候希望返回一个元素的值,而非引用。

template<typename It>
auto fcn(It beg,It end) -> decltype(*beg){
    return *beg;
}

但问题在于,无法知道传递的参数类型,唯一可以使用的操作是迭代器操作,而所有迭代器操作都不会生成元素,只能生成元素的引用。

为了获得元素类型,要使用标准库的类型转换模板

这些模板定义在头文件 type_traits 中,主要是用于模板元编程设计的,这次主要用到 remove_reference 模板,它的源码如下:

template <class _Tp> struct _LIBCPP_TEMPLATE_VIS remove_reference        {typedef _LIBCPP_NODEBUG_TYPE _Tp type;};

如同它的名字一样,就是移除引用,可以通过它来获得元素类型。remove_reference 模板有一个模板类型参数和一个名为 type 的类型成员。

如果用一个引用类型实例化 remove_reference,则 type 将表示被引用的类型。

例如,实例化 remove_reference<int&> ,则 type 成员将是 int 。类似,如果实例化 remove_reference<string&> ,则 type 成员将是 string 。

如果给定一个迭代器 beg:

remove_reference<decltype(*beg)>::type

将获得 beg 引用的元素的类型:decltype(*beg) 返回元素类型的引用类型,remove_reference::type 脱去引用,剩下元素类型本身。

组合使用 remove_reference、尾置返回以及 decltype ,就可以在函数中返回元素值的拷贝。

template<typename It>
auto fcn2(It beg,It end) -> typename remove_reference<decltype(*beg)>::type{
    return *beg; // 返回序列中一个元素的拷贝
}

要注意的是,type 是一个类的成员,而该类依赖于一个模板参数。因此,要在返回类型的声明中使用 typename 来告知编译器,type 表示一个类型,关于这个知识点在之前的文章中提到过了,参见:C++ 模板系列小结03-在模板中指定变量类型

小结

尾置返回类型主要还是 decltype 的使用了,而 decltype 要注意的是返回的类型是元素的类型,还是引用类型了,在不同场景下注意区分。

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