Cplusplus 简明教程

Advanced C++ Concepts

C 是现代编程的基本语言之一。它已从基本 C 发展为现代编程中非常强大的工具。C 的版本从 C 98 开始，现已升级至 C 20 。在 C 11 更新后，所有现代更新被统称为现代 C。这些新模型有大量新功能，使该语言更友好和具有更好的功能。其中一些新概念已成为其他新语言的部分，如 Ethereum 、 Ruby 、 Python 和 Javascript ，而随着这些概念在 C++ 中的引入，现在的编程变得更高效。

我们将在详细了解以下不同的高级 C++ 主题：

随 C 20 版本，还提供了其他功能，这些功能稍微更高级，将在本帖的后面部分讨论。上述功能也是非常高级的概念，但本帖所提供的说明足以使读者深入了解 MODERN C LANGUAGE 。

RAII (Resource Aquisition is Initialization)

Resource Acquisition is Initialization （通常用其缩写 RAII 指代）是用于执行 memory management 的 C 技术。虽然它与 C 的关联通常是学习它的原因，但 RAII 的范围超越了语言限制的障碍。

简单地提出一个定义，RAII 表示以构造函数的形式向对象分配内存，然后使用 destructor 释放已分配的内存。因此，它构成了我们在过去主题中讨论过的 OOP concepts 的一部分。

现在，你一定很好奇 RAII 实际上解决了哪些问题？RAII 有很多种作用，其中一些如下：

Mutex Locks （在 Operating Systems 中讨论）
Process Synchronization
Multithreading
Dynamic Memory Allocation

本部分中已讨论了其中一些主题，而新的概念将在本帖的后面部分讨论。

现在，在编程中 resource 实际上是什么，特别是在面向对象的编程（OOPS）中？

资源是一个实体，可以在程序或一系列程序的编译或执行中进行要求。资源的示例包括 Stack 、 Heap 、 Memory 、 Files 、 Sockets （在套接字编程中）、 Locks and Semaphores 等。这些资源对程序的顺利运行至关重要。这些资源通过程序通过请求获取，例如用于获取互斥锁的 mutex() 方法调用。

在使用 C 的经典编程中，我们使用 new() 和 delete() 的概念来创建实体，然后释放内存。这个传统概念虽然在 C 这样的面向对象语言中仍然可以接受，但是，不鼓励使用。在 C 中，RAII 的概念使得在作用域内分配和释放资源变得容易。

新的数量的任期就是对象的任期，并且构造函数可以为对象创建和分配内存，而析构函数可用于仅仅在自动完成之后释放内存。这使得 C++ 成为一种非常高效且用户友好的语言。我们用一个简单的示例来理解这一点。

Example

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

mutex m;

void bad() {
   m.lock();             // acquire the mutex
   f();                  // if f() throws an exception, the mutex is never released
   if (!everything_ok())
      return;           // early return, the mutex is never released
   m.unlock();           // if bad() reaches this statement, the mutex is released
}

void good(){
   lock_guard<mutex> lk(m);      // RAII class: mutex acquisition is initialization
   f();                                      // if f() throws an exception, the mutex is released
   if (!everything_ok())
     return;                           // early return, the mutex is released
}

int main(){
   good();
   bad();
   return 0;
}

Wild Pointers in C++

如果指针随机指向内存中的任何地址，则该指针称为野指针。当指针在程序中声明时，但未初始化为指向地址值时，就会发生这种情况。野指针不同于普通指针，即它们还存储内存地址，但指向未分配的内存或已被释放的数据值。

这些指针可能导致 memory leak ，这将在本文的后面部分讨论。

Example

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;
int main() {
   int *ptr;
   //this pointer has been declared but not initialized
   //hence, it is a wild pointer
   cout<<*ptr<<endl;

   int a=11;
   ptr=&a;
   cout<<*ptr<<endl<<ptr<<endl;

   //once a value is declared, it becomes a normal pointer
   *ptr=10;
   cout<<*ptr<<endl<<ptr;

   return 0;
}

-660944088
11
0x7ffcfb77825c
10
0x7ffcfb77825c

Null Pointers in C++

在 C++ 的早期版本中， NULL 将定义为无意义的元素，它不指向任何内存。允许将 NULL 转换为 int 或类似数据类型，但对于函数的 overloading ，NULL 指针会引发错误。

自从 C++ 11 出现以来，NULL 已重新定义为 nullptr ，它是一种特殊数据类型，只能用作指向内存中不可用地址的指针。

因此，它可以在重新定义指针变量时充当指向任何位置的指针。与 NULL 不同，它不能隐式转换为整数类型，例如 int 或 char ，也不能与整数类型进行比较。因此，它根本解决了 NULL 的问题。

顺便提一下，在 C++ 的较新版本中可以比较空指针，因此可以理解指针可以与 bool 数据类型进行比较。

Example

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int main() {

   //int ptr=nullptr;

   //this throws compiler error as it is not comparable to int
   //run the above line for illustration

   int *ptr=nullptr;

   if(ptr==nullptr) cout<<"true";
   else cout<<"false";

   return 0;
}

true

Memory Leakage in C++

内存泄漏是许多计算设备中的一个主要问题，因为编译器在程序中可用的 stack 和 heap 内存是有限的且非常昂贵的。当声明新对象、使用新对象并且未从内存中清除新对象时，就会发生内存泄漏。如果程序员忘记使用 delete operation ，或错误地使用它，则可能会发生这种情况。

内存泄漏有很大的缺点，因为随着每个传入进程的请求，空间会呈指数级增加，并且必须为新进程分配新的内存空间，而不是清除不需要的内存。

给定的程序说明了如何使用 C++ 中的程序中发生内存泄漏。

Example

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

void leak_func(){
   int* p = new int(10);
   //using new() to declare a new object

   //no delete() operation
   return;
}

int main(){
   leak_func();

   return 0;
}

这可以通过将最初分配给 new() 对象的内存释放掉来避免。以下程序说明了如何避免内存泄漏。

Example

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

void leak_func(){
   int* p = new int(10);
   //using new() to declare a new object

   delete(p);
   return;
}

int main(){
   leak_func();

   return 0;
}

Smart Pointers in C++

随着 RAII 和 OOP 概念在 C 中的引入， wrapper classes 也已在 C 中引入。其中一个包装器类是智能指针，它有助于确保没有内存泄漏和错误实例。

Example

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

int main() {

   //int ptr=nullptr;

   //this throws compiler error as it is not comparable to int

   int *ptr=nullptr;

   if(ptr==nullptr) cout<<"true";
   else cout<<"false";

   return 0;
}

true

Lambda Expression in C++

自 C 11 以来，允许在 C 中使用 lambda 表达式来解析 inline functions ，该表达式用于较小的代码行，而无需为函数提供名称和作用域。

Syntax

[ capture clause ] (parameters) -> return-type{
   definition of method
}

在此，返回类型由编译器本身解析，无需指定函数的 return type 。但是，对于复杂语句，指定了返回类型以使编译器正常运行。

可以以下列方式捕获外部变量：

Capture by reference
Capture by value
同时捕获（混合捕获）

用于捕获变量的语法如下 -

[&]：引用捕获所有外部变量
[=]：值捕获所有外部变量
[a,&b]：值捕获 a 并引用捕获 b

Example

#include <bits/stdc++.h>
using namespace std;

void printvector(vector<int> &v){
   // lambda expression to print vector
   for_each(v.begin(), v.end(), [](int i){
      std::cout << i << " ";
   });
   cout << endl;
}

int main(){
   vector<int> v;
   v.push_back(10);

   v.push_back(11);

   v.push_back(12);
   printvector(v);

   return 0;
}

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