高级 C++ 概念

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C++ 是现代编程的基础语言之一。它从基本的 C 语言演变而来，成为现代编程中非常强大的工具。C++ 的版本从 C++ 98 开始，现在已经发展到 C++ 20。在 C++ 11 更新之后，所有现代更新都被统称为现代 C++。这些新模型具有广泛的新功能，使该语言更易于用户使用，并具有更好的功能。其中一些新概念已经是其他新语言的一部分，例如 以太坊、Ruby、Python 和 Javascript，随着这些概念在 C++ 中的引入，如今的编程效率更高。

以下是我们将详细了解的不同高级 C++ 主题的列表：

随着C++ 20版本的发布，还提供了其他功能，这些功能稍微高级一些，将在本文的后面部分介绍。上面提到的功能也是非常高级的概念，但是本文提供的解释足以让读者深入研究现代 C++ 语言。

RAII（资源获取即初始化）

RAII

资源获取即初始化，通常用其缩写 RAII 指代，是一种用于内存管理的 C++ 技术。虽然它通常与 C++ 相关联，这就是为什么它被研究的原因，但 RAII 的范围超出了语言限制的障碍。

简单地说，RAII 意味着以构造函数的形式将内存分配给对象，然后使用析构函数释放分配的内存。因此，它构成了OOP 概念的一部分，这在之前的主题中已经介绍过。

现在，您一定很好奇 RAII 到底解决了哪些问题？RAII 以多种方式工作，其中一些是：

这些主题中的一些已经在本文的前面部分讨论过，一些新概念将在本文的后面部分讨论。

现在，在编程中，尤其是在面向对象编程方面，资源究竟是什么？

资源是在编译或执行程序或一系列程序期间可能需要的实体。资源的示例包括栈、堆、内存、文件、套接字（在套接字编程中）、锁和信号量等。这些资源对于程序的顺利运行至关重要。程序通过请求获取这些资源，例如，对于互斥锁，使用 mutex() 方法调用来获取。

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。这种传统概念在 C++ 等 OOP 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轻松分配和释放资源成为可能。

新数量的有效期是对象的有效期，构造函数可以创建和分配内存给对象，而析构函数可以用来在完成后自动释放内存。这使得 C++ 成为一种非常高效且用户友好的语言。让我们通过一个简单的例子来理解这一点。

示例

#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;
}

C++ 中的野指针

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。当在程序中声明指针但未将其初始化为指向地址值时，就会发生这种情况。野指针与普通指针不同，即它们也存储内存地址，但指向未分配的内存或已释放的数据值。

这些指针可能导致内存泄漏，这将在本文的后面部分讨论。

示例

#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;
}

输出

-660944088
11
0x7ffcfb77825c
10
0x7ffcfb77825c

C++ 中的空指针

在早期版本的 C++ 中，NULL 将被定义为指向任何内存的 void 元素。允许将 NULL 转换为int 或类似的数据类型，但在函数重载的情况下，空指针会引发错误。

自从C++ 11出现以来，NULL 已重新定义为nullptr，这是一种特殊的数据类型，只能用作指针来指向内存中不可用的地址。

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（如int或char），也不能与整数类型进行比较。因此，它解决了 NULL 的固有问题。

顺便说一句，在新版本的 C++ 中，空指针之间可以进行比较，因此可以理解指针可以与bool数据类型进行比较。

示例

#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;
}

输出

true

C++ 中的内存泄漏

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栈和堆内存是有限的且非常昂贵。当声明新对象、使用新对象但未清除内存中的新对象时，就会发生内存泄漏。如果程序员忘记使用delete 操作或错误地使用它，就会发生这种情况。

内存泄漏有很大的缺点，因为空间随着每个传入的进程请求呈指数增长，新的进程必须分配新的内存空间，而不是清除不需要的内存。

给定的程序演示了如何在使用 C++ 的程序中发生内存泄漏。

示例

#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;
}

可以通过释放最初分配给new()对象的内存来避免这种情况。下面的程序说明了如何避免内存泄漏。

示例

#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;
}

C++中的智能指针

随着C++中RAII和OOP概念的引入，包装类也已在C++中引入。这些包装类之一是智能指针，它有助于确保没有内存泄漏和错误的实例。

示例

#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;
}

输出

true

C++中的Lambda表达式

从C++ 11开始，允许在C++中使用lambda表达式来解决内联函数，这些函数用于少量代码行，无需为函数命名和指定作用域。

语法

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

在这里，返回类型由编译器本身解析，无需指定函数的返回类型。但是，对于复杂的语句，需要指定返回类型才能使编译器正常运行。

可以按以下方式捕获外部变量：

  • 按引用捕获
  • 按值捕获
  • 同时捕获（混合捕获）

用于捕获变量的语法如下：

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

示例

#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;
}

输出

10 11 12
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