现代C++实战30讲（2）

本文记录学习吴咏炜老师的《现代C++实战》课程的心得体会，记录自认为值得记录的知识点。

重新认识的点

1. 编译期间的多态

   所有容器类都有 begin 和 end 函数成员，这为通用遍历容器提供可能。很多容器都有 size 成员，没有继承通用的类。虽然C++标准容器之间没有对象继承关系，但彼此之间存在很多共性，C++中有模板来表达这类共性。

   显示实例化： template class vector
   外部实例化： extern template class vector; 告诉编译器此模板已在其他地方实例化，此处无需再实例化。
   上述两项实例化可在大型项目中集中模板的实例化，加速编译过程，但也有额外开销，应当谨慎使用。

   要求不同的对象拥有共同的成员函数，名字和参数结构都要相同。

   如果要在共性中有针对特殊类型的特殊处理，对函数模板使用重载，对类模板使用特化。

   基于虚函数的多态，解决的是运行时的行为变化，强调对流程的复用。
   基于模板的多态，解决的是同一套代码适用于不同的数据类型，强调对代码的复用。

2. 模板元编程
   最核心的一点，需要把计算转变为类型推导，具体来说是用编译器的类型推导和类型匹配来表达计算过程。

3. 常量表达式
   一个 constexpr 常量是一个编译期间完全确定的常数。

4. Lambda表达式
   Lambda表达式一般不需要说明返回值，相当于auto；有特殊情况时，使用后置箭头语法说明： [](int x) -> int

   auto adder = [](int n){
   	return n + 2;
   }
   adder(2);
   
   // 或者更简洁的立即求值
   [](int x){return x*x}(3);
   
   // 根据不同模式，进行不同处理。 不要求 obj 有默认无参构造函数，又省却了拷贝开销。
   auto obj = [init_mode](){
   	switch(init_mode)
   	{
   		case init_mode1: return obj(xxx);
   		case init_mode2: return obj(xxx2);
   	}
   }();
   

   显式的代码比隐式的代码更容易维护。一般采用按值捕获，如果是按引用捕获，必须小心确保被捕获变量和lambda表达式的生命周期至少一样长
   并且在满足下列条件之一时才使用：

   1. 需要在lambda表达式中修改变量并让外部观察到
   2. 需要看到这个变量在外部被修改的结果
   3. 这个变量的复制代价比较高

   如果是捕获指针，则要保证指针指向的资源生命周期至少和Lambda表达式的一样长。
   Lambda表达式从概念上，可理解为一个匿名struct，它实现了 operator() 运算符，支持调用，捕获过程就是给struct中的成员变量赋值的过程

5. 函数式编程
   标准算法库中有

   • transform，把一个范围内的每个对象经过相同的处理，变成另外一系列对象
   • accumulate，把一个范围内的对象，使用指定的初始值和处理方式，进行归并（默认的处理方式为+，也就是累加）
   • copy_if, 把一个范围内的对象，提取满足指定条件的对象集合
   • partition，把一个范围内的对象，根据过滤条件，分为两组

   transform函数可通过在调用中加入 execution::par 来启动并行计算。 accumulate 可用 reduce 来替换，并启动并行计算
   获得多核环境下的性能提升。C++17中才有。

6. 多线程编程

   • thread要求在线程变量析构前，要么通过join（阻塞直到线程推出），要么detach（放弃对线程的管理），否则程序会异常退出。

   mutex output_lock;
   
   void func(const char* name)
   {
   	this_thread::sleep_for(100ms);
   	lock_guard<mutex> guard{ output_lock };
   	cout << "I am thread " << name << this_thread::get_id() <<endl;
   }
   
   // 包装一下 thread，使得能在析构时，自动调用 join 接口
   class scoped_thread {
   public:
   	// 通过可变模板和完美转发来构造
   	template<typename... Arg>
   	scoped_thread(Arg&&... arg)
   		:thread_(std::forward<Arg>(arg)...) {}
   
   	// 可以移动
   	scoped_thread(scoped_thread&& other)
   		:thread_(std::move(other.thread_)) {}
   
   	// 不能拷贝
   	scoped_thread(const scoped_thread&) = delete;
   
   	~scoped_thread()
   	{
   		// 只有可joinable的才能调用join
   		if (thread_.joinable())
   		{
   			thread_.join();
   		}
   	}
   
   private:
   	thread thread_;
   };
   
   void test_thread()
   {
   #if 0
   	thread t1{ func , "A" };
   	thread t2{ func , "B" };
   	t1.join();
   	t2.join();
   #endif
   
   	scoped_thread t1{ func, "A" };
   	scoped_thread t2{ func, "B" };
   }
   
   

7. 内存模型
   编译器为了优化，可以调整代码执行顺序，保证外部可观测行为一致
   处理器的乱序执行，也会调整代码执行顺序。

   volatile的语义时防止编译器优化对内存的读写，每次都去读写内存，在多处理器环境下，无法保证多个线程能看到同样顺序的数据变化。

   c++提供原子对象（atomic）以及对应的获得（acquire）、释放（release）语义，可精确控制内存访问顺序。

   • 获得是一个对内存的读操作，当前线程的任何后面的读写操作都不允许重排到这个操作前面去。
   • 释放是对一个内存的写操作，当前线程的任何前面的读写操作都不允许重排到这个操作的后面去。

   atomic变量的写操作，默认是释放语义；读操作默认是获得语义。但是，缺省行为可能是对性能不利的，并不需要在任何情况下都保证操作的顺序性。

   原子操作有三类：

   • 读： 在读取过程中，读取位置内容不会发生任何变动
   • 写： 在写入过程中，其他执行线程不会看到部分写入结果
   • 读-修改-写入：读取内存、修改数值、然后写会内存，整个操作过程中间不会有其他写入操作插入、其他执行线程不会看到部分写入结果。

   

8. C++编译器
   CLang作为LLVM项目的一部分，现在成为通用跨平台编译器，它在错误信息易用性上，相比于GCC有极大改善。另外，Clang上扩展新功能很容易，有很多流行的生态组件：

   • 代码自动完成 clang-complete(Vim插件)
   • 代码格式化 clang-format 内置的风格格式需要根据实际情况调整
   • 代码静态检查 clang-tidy

   CLang在Windows平台上会使用MSVC的C++运行时，在Linux上使用libstdc++，在macOS上，才使用CLang的C++库，libc++

9. 辅助小工具

   • CppCheck
   • TscanCode
   • 从编译器视角查看源码 C++ Insights
   • 从汇编角度查看源码 ComplierExplorer

10. 多数值对象
    在没有optional之前，多数值对象通常采用如下实现方式：

    
    struct FloatIntChar {
    	enum ValueType{
    		FLOAT,
    		INT,
    		CHAR,
    		STRING,
    	}type;	// 表示实际存储的数据类型
    
    		// 采用联合体，公用同一存储空间
    	union {
    		float fValue;
    		int nValue;
    		char cValue;
    		//string str;	// 增加这个会编译失败
    	};
    };
    

    上述做法针对POD类型成员是可行的，一旦引入非POD类型，编译器会看到 union 中使用 string 类型带来构造和析构问题。
    如果使用 c++17中引入的 variant，就会非常干净利落。

    variant<string, int, char> obj{ "hello", 1, 'c' };
    cout << get<string>(obj) << endl;
    

11. C++工程库介绍

    1. 高精度整数类型计算库 Boost.Multiprecision
       优点：
       • 支持常用运算符，如 +、-、*、/、%
       • 使用基本的 cpp_int 对象不需要预先编译库，只需要Boost的头文件即可
       • 支持整数和字符串构造
       • 提供用户自定义字面量初始化
       • 支持十进制、十六进制输出
    2. 单元测试库 Catch2
    3. 日志库 spdlog
    4. 命令行输入解析库 getopt
    5. 简洁的benchmark库 Celero

12. Concept
    概念（Concept）是对模板参数的约束条件，符合这类约束条件的都能被该模板实例化。这里的条件不是某个具体类型，比如 int、long，而是满足某种操作的类型集合。

    template<typename N> requires Integer<N>
    N half(N n)
    {
    	return n / 2;
    }
    

    half是一个函数模板，有一个模板参数N，这个N要满足 Integer的概念约束，该函数才能对N进行实例化。

13. 课后问答

    1. 为什么stack或queue有pop和top/front两个函数，而不合并成一个函数？
       解答：如果pop返回元素，在元素拷贝时发生异常，那么这个元素就丢失了，为保证异常安全，pop没有返回值，简化语义，取值使用另外的接口top/front。