c++11 之 decltype

在C++中，decltype作为操作符，用于查询表达式的数据类型。decltype在C++11标准制定时引入，主要是为泛型编程而设计，以解决泛型编程中，由于有些类型由模板参数决定，而难以（甚至不可能）表示之的问题。

泛型编程在整个1990年代越发流行，对实现类型推导机制的需求也应运而生。为此，许多编译器厂商都基于程序语言现有的功能，自行实现了这类操作符，其实现如typeof，以及一些功能有限，但更易移植的实现。2002年间，比雅尼·斯特劳斯特鲁普提议在C++内标准化这类操作符，并将之加入C++；且建议命之为“decltype”，以反映其具有获取表达式的“声明类型”（Declared Type）的功能。

从语义上说，decltype的设计适合于通用库编写者与编程新手。总体上说，对于目标对象或函数，由decltype推导出的类型与源码中的定义可精确匹配。而正如sizeof操作符一样，decltype亦不需对操作数求值。

中文名

操作符

外文名

decltype

用    途

查询表达式

实    质

数据类型

目录

1目录

2设计构想

3语义

4可用性

5例子

 

 

1目录编辑

• 1 设计构想
• 2 语义
• 3 可用性

2设计构想编辑

随着C++引入模板，以及由标准模板库引领的泛型编程逐渐兴起，实现一个能获取表达式类型的机制的需求便由此出现，而这一机制常称为typeof。在泛型编程中，若类型由函数参数决定，则获知之常非易事，在需要获取函数模板实例化的返回类型时尤然。

许多厂商以编译器扩展的形式，提供了typeof操作符，以满足这一需求。早在C++还未完全标准化的1997年，布莱恩·帕克（Brian Parker）就基于sizeof操作符，提出了一种可移植的解决方案。对此，比尔·吉本斯（Bill Gibbons）则提出，这一方案仍有诸多限制，而且通常来说，直接引入typeof机制效果都更好。2000年10月，安德烈·亚历山德雷斯库在IT技术杂志《Dr. Dobb's Journal》上评论道：“（若）有typeof（操作符），撰写和理解模板代码就会便易许多。”他也提到“typeof和sizeof（操作符）有相同的后端，（这是）因为sizeof无论如何必须去计算类型。”安德鲁·克尼格与芭芭拉·E·摩（Barbara E. Moo）也谈到内建于程序语言中的typeof功能非常有用，但也提醒道“使用时常会引入一些难以发觉的程序错误，且尚有无法解决的问题（即并非万用）。”并提出可以利用类型转换（如使用标准模板库所提供的typedef），更有效、更通用地实现这一功能。但是，史蒂夫·丹斯特（Steve Dewhurst）则称如此转换“在设计与发布上花费巨大”，而且“采用直接提取表达式类型的方法更简单。”（大意）2011年间，在一片关于C++0x的文章中，克尼格和摩预言道：“decltype将会广泛用于为每日的程序编写提供便利。”

2002年间， 比雅尼·斯特劳斯特鲁普提议扩充C++程序语言，为之引入查询表达式类型，以及不必指明类型便可初始化对象的机制。斯特劳斯特鲁普注意到，在GCC与EDG编译器中，typeof所提供的“引用丢弃”（reference-dropping）语义可能存在问题；另一方面，若使用基于表达式左值性、返回一个引用类型的操作符实现之，又难以理解。于是，在呈交给C++标准委员会的初始提案中，便将两种实现方法杂糅起来：只有当表达式的声明类型包含一个引用时，操作符才会返回一个引用类型。为强调推导出的类型能确实反映表达式的声明类型，提案中提议将此操作符命名为decltype。提案还提及了decltype的一项主要设计初衷，也即让编写完美的转发函数成为可能。在编程时，程序员有时需要编写一个泛型转发函数，使之不论以何种类型实例化，都能返回同于包装函数的类型，而若无decltype操作符，就几乎不可能做到这一点。decltype的样例代码如下所示，其中利用了C++11标准中的“返回类型后置”（trailing-return-type）语法。

int& foo(int& i);float foo(float& f); template <class T> auto transparent_forwarder(T& t) −> decltype(foo(t)) { return foo(t);}

decltype便是本段代码的核心部分，用于保存“包装函数是否返回一个引用类型”这一信息 。

3语义编辑

类似于sizeof操作符，decltype也不需对其操作数求值。粗略来说，decltype(e)返回类型前，进行了如下推导：

1. 若表达式e指向一个局部变量、命名空间作用域变量、静态成员变量或函数参数，那么返回类型即为该变量（或参数）的“声明类型”；
2. 若e是一个左值（lvalue，即“可寻址值”），则decltype(e)将返回T&，其中T为e的类型；
3. 若e是一个x值（xvalue），则返回值为T&&；
4. 若e是一个纯右值（prvalue），则返回值为T。

这些语义是为满足通用库编写者的需求而设计，但由于decltype的返回类型总与对象（或函数）的定义类型相匹配，这对编程新手来说也更为直观。更正式地说，规则1适用于不带括号的标识符表达式（id-expression）与类成员访问表达式。示例如下：

const int&& foo();const int bar();int i;struct A { double x; };

const A* a = new A();

decltype(foo()) x1; // 类型为const int&&

decltype(bar()) x2; // 类型为int

decltype(i) x3; // 类型为int

decltype(a->x) x4; // 类型为double

decltype((a->x)) x5; // 类型为const double&

由上可见，最后两个对decltype的调用，返回结果有所不同。这是因为，带括号的表达式(a->x)既非“标识符表达式”，亦非类访问表达式，因而未指向一个命名对象，而是一个左值，于是推导类型便为“指向表达式类型的引用”，亦即const double&。

在2008年12月，雅克·雅尔维（Jaakko Järvi）向标准委员会指出一个问题：在C++中，“带限定标识符”（qualified-id）无法由decltype作成，而这正与“decltype(e)可作‘类型定义名’（typedef-name）看待”的设计初衷不一致。在评论标准委员会为C++0x（C++11前名）制定的正式草案时，日本ISO会员成员提到，“一个定义域操作符（::）不适用于decltype，但本应适用才对。（若能解决这一问题，则）这在需要从实例中获取成员类型（嵌套类型）很有用，如下所示”：

vector<int> v;decltype(v)::value_type i = 0; // int i = 0;

这一问题，以及其他相似问题（关于decltype无法在派生类声明和析构函数调用中使用），都交由大卫·范德沃德（David Vandevoorde）处理，并在2010年3月投票纳入工作日程表。

4可用性编辑

decltype包含于当前的C++标准C++11中，并由许多编译器以扩展的形式提供：微软在Visual C++ 2010编译器中提供了decltype操作符，基本实现了标准委员会提案中所描述的语义，并且在托管代码或原生代码中都可使用。据其文档称，这一实现“主要对编写模板库的开发者有用。”从2008年3月5日发布的4.3版开始，GCCC++编译器也加入了decltype操作符。这一操作符也已纳入了Codegear的C++ Builder 2009、Intel C++编译器与Clang。[1] 

5例子编辑

#include <algorithm>

#include <iostream>

#include <iterator>

#include <ostream>

#include <string>

#include <utility>

#include <vector>

using namespace std;

struct Plus {

template <typename T, typename U>

auto operator()(T&& t, U&& u) const

-> decltype(forward<T>(t) + forward<U>(u)) {

return forward<T>(t) + forward<U>(u);

}

};

int main() {

vector<int> i;

i.push_back(1);

i.push_back(2);

i.push_back(3);

vector<int> j;

j.push_back(40);

j.push_back(50);

j.push_back(60);

vector<int> k;

vector<string> s;

s.push_back("cut");

s.push_back("flu");

s.push_back("kit");

vector<string> t;

t.push_back("e");

t.push_back("ffy");

t.push_back("tens");

vector<string> u;

transform(i.begin(), i.end(), j.begin(), back_inserter(k), Plus());

transform(s.begin(), s.end(), t.begin(), back_inserter(u), Plus());

for_each(k.begin(), k.end(), [](int n) { cout << n << " "; });

cout << endl;

for_each(u.begin(), u.end(), [](const string& r) { cout << r << " "; });

cout << endl;

}

结果：

41 52 63

cute fluffy kittens

如果在C++98，你不得不传递模板参数类型来调用plus<int>() 和 plus<string>()，重复声明一次元素类型。[2] 

 

参考资料