引子

在編程過(guò)程中，有時(shí)我們需要根據(jù)表達(dá)式的類型來(lái)聲明變量，尤其是在涉及模板編程和泛型編程時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到這樣的問(wèn)題：(1)、有些泛型類型由模板參數(shù)決定，但是卻很難或根本無(wú)法表示；(2)、需要在編譯時(shí)確定變量的類型。

除此之外，我們知道auto在自動(dòng)類型推導(dǎo)時(shí)，會(huì)忽略類型的修飾符。如此會(huì)導(dǎo)致auto推導(dǎo)的類型會(huì)與原表達(dá)式的類型存在不一致問(wèn)題。

為了更好的解決這些問(wèn)題，從C++11標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)始，C++引入了decltype關(guān)鍵字，其作用是讓編譯器在編譯時(shí)識(shí)別表達(dá)式的類型，方便的的進(jìn)行類型推導(dǎo)，同時(shí)也解決泛型編程和模板編程中變量類型表示的問(wèn)題。

標(biāo)準(zhǔn)演進(jìn)

decltype是declare type的縮寫。C++11標(biāo)準(zhǔn)引入了decltype的核心功能和推導(dǎo)規(guī)則，C++11以后的各標(biāo)準(zhǔn)都本別對(duì)C++11自定的規(guī)則進(jìn)行擴(kuò)容和改進(jìn)。具體演進(jìn)過(guò)程如下所示：

• C++11：引入關(guān)鍵字，并引入decltype的核心功能，用于根據(jù)表達(dá)式推導(dǎo)出變量的類型；
• C++14：引入兩個(gè)重要改進(jìn)
• 引入decltype(auto)語(yǔ)法，此語(yǔ)法可用于函數(shù)返回值類型的推導(dǎo)?；赿ecltype(auto)語(yǔ)法，函數(shù)的返回值類型可通過(guò)函數(shù)體的返回值表達(dá)式來(lái)推導(dǎo)，從而簡(jiǎn)化函數(shù)返回值類型的聲明。
• 放寬了對(duì)不完整類型的限制：在 C++11 中，如果 decltype 推導(dǎo)的表達(dá)式結(jié)果是一個(gè)不完整類型，那么會(huì)導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤。而在 C++14 中，對(duì)不完整類型的處理更加寬松，允許使用decltype 推導(dǎo)不完整類型的變量。
• C++17：decltype(atuo)支持非類型模板形參占位符。

C++11

引入關(guān)鍵字，并引入decltype的核心功能，用于根據(jù)表達(dá)式推導(dǎo)出變量的類型；當(dāng)使用decltype(e) 推導(dǎo)表達(dá)式 e(類型為T)的類型時(shí)，C++11標(biāo)準(zhǔn)定義decltype的推導(dǎo)規(guī)則如下：

• 如果是一個(gè)未加括號(hào)的標(biāo)識(shí)符表達(dá)式或類成員訪問(wèn)，那么decltype(e)的推導(dǎo)結(jié)果為e類型T；假如不存在這樣的實(shí)體或e是一組重載函數(shù)，那么decltype(e)無(wú)法推導(dǎo)。而且推導(dǎo)過(guò)程const/volatile 限定符會(huì)被忽略；
• 如果e是一個(gè)可調(diào)用對(duì)象，那么decltype(e)推導(dǎo)為可調(diào)用對(duì)象返回值的類型；
• 如果e是一個(gè)左值，decltype(e)推導(dǎo)為T&。const/volatile 限定符不能忽略；
• 如果e是一個(gè)將亡值，decltype(e)推導(dǎo)為T&&，const/volatile 限定符不可忽略；
• 如decltype(e)無(wú)法命中上述4情況，decltype(e)將會(huì)推導(dǎo)為e的類型T；

為了讓大家更形象的理解這5條規(guī)則，下面我們通過(guò)一些示例來(lái)說(shuō)明這五條推導(dǎo)規(guī)則。

示例 1: 未加括號(hào)標(biāo)識(shí)符表達(dá)式

int x = 42;
decltype(x) y; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int，滿足第1條規(guī)則

示例 2: 加括號(hào)的標(biāo)識(shí)符表達(dá)式

int x = 42;
decltype((x)) y = x; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int&，滿足第三條規(guī)則

示例3：未加括號(hào)的類成員訪問(wèn)

struct MyClass {
    int member;
};
const MyClass obj;
decltype(obj.member) result = obj.member; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int, 忽略const/volatile 限定符，滿足第1條規(guī)則

示例4：加括號(hào)的類成員訪問(wèn)

struct MyClass {
    int member;
};
const MyClass obj;
decltype((bj.member)) result = obj.member; // 推導(dǎo)結(jié)果是 const int&, const/volatile 限定符不能忽略，滿足第3條規(guī)則

示例 5: 可調(diào)用對(duì)象表達(dá)式

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
decltype(add(1, 2)) result; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int，滿足第2條規(guī)則

示例 6: 將亡值

int x = 42;
decltype(std::move(x)) result = std::move(x); // 推導(dǎo)結(jié)果為int&&,std::move(x) 為將亡值

示例 7: 右值表達(dá)式

int x = 42;
decltype(x + 1) result; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int（右值表達(dá)式 x + 1 的類型是 int）

示例8：右值引用變量

int&& i = 500;
decltype(i) x2;           // x2的類型是int&&，滿足第5條

C++14

C++14主要引進(jìn)了兩個(gè)重要改進(jìn)，他們分別是：放寬對(duì)不完整類型的限制；引入decltype(auto)語(yǔ)法。

放寬對(duì)不完整類型的限制

C++11標(biāo)準(zhǔn)要求decltype在使用時(shí)，推導(dǎo)的表達(dá)式必須是完整類型。如果decltype推導(dǎo)的表達(dá)式是一個(gè)不完整類型，例如某個(gè)類的聲明但尚未定義，那么會(huì)導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤。C++14對(duì)這個(gè)限制進(jìn)行了放寬，允許使用decltype推導(dǎo)不完整類型的變量。這使得編寫一些特定的模板代碼更加方便，因?yàn)樵谀承┣闆r下，可能需要推導(dǎo)出不完整類型。

但是，雖然C++14放寬了對(duì)不完整類型的限制，但仍然要求推導(dǎo)的表達(dá)式在使用時(shí)必須是可見(jiàn)的，即需要在推導(dǎo)時(shí)至少對(duì)類型進(jìn)行了前向聲明。否則，將會(huì)導(dǎo)致編譯錯(cuò)誤。

以下是一個(gè)示例，演示如何在泛型編程中使用 decltype 推導(dǎo)不完整類型：

template <typename T>
struct Container
{
    using ValueType = decltype(*std::declval<T>()); // 使用 decltype 推導(dǎo)不完整類型
    // 其他成員和函數(shù)...
};
int main()
{
    Container<std::vector<int>> container;
    using ValueType = typename decltype(container)::ValueType; // 推導(dǎo)結(jié)果為 int&
    return 0;
}

decltype(auto)

除了放寬對(duì)不完整類型的限制，C++14還有一個(gè)特色就是decltype(auto)。decltype(auto)作用是告訴編譯器auto的推導(dǎo)規(guī)則遵循decltype而非auto。不過(guò)有一點(diǎn)需要注意就是decltype(auto)必須單獨(dú)聲明，不能與其他相結(jié)合。所以下述聲明是不合法的：decltype(auto)*，const decltype(auto), volatile decltype(auto)。

decltype(auto) 的推導(dǎo)規(guī)則如下：

• 如果初始化表達(dá)式是一個(gè)標(biāo)識(shí)符表達(dá)式，那么decltype(auto)推導(dǎo)為表達(dá)式的類型（const/volatile 限定符和引用修飾符不能忽略）；
• 如果初始化表達(dá)式是一個(gè)函數(shù)調(diào)用表達(dá)式，那么decltype(auto)推導(dǎo)為函數(shù)調(diào)用表達(dá)式的返回類型；
• 如果初始化表達(dá)式是一個(gè)左值表達(dá)式（如變量名、數(shù)組名、成員訪問(wèn)等），那么decltype(auto)推導(dǎo)為對(duì)應(yīng)左值類型的引用類型（const/volatile 限定符和引用修飾符不能忽略）。
• 如果初始化表達(dá)式是一個(gè)右值表達(dá)式（如字面值、臨時(shí)對(duì)象、表達(dá)式的結(jié)果等），那么decltype(auto)推導(dǎo)為對(duì)應(yīng)右值的類型（const/volatile 限定符和引用修飾符不能忽略）。
• 如果初始化表達(dá)式是一個(gè)將亡值（如移動(dòng)賦值），那么decltype(auto)推導(dǎo)為對(duì)應(yīng)類型的右值引用

示例 1：標(biāo)識(shí)符表達(dá)式

int x = 42;
decltype(auto) y = x; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int（x 的類型）

示例 2：函數(shù)調(diào)用表達(dá)式

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
decltype(auto) result = add(1, 2); // 推導(dǎo)結(jié)果是 int（add 函數(shù)返回類型）

示例 3：左值表達(dá)式

const int x = 42;
decltype(auto) ref = (x); // 推導(dǎo)結(jié)果是 const int&（x 的引用類型）

示例4：右值表達(dá)式

decltype(auto) x2 = 50; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int

示例4：將亡值

int x2 = 50;
decltype(auto) x3 = std::move(x2); // 推導(dǎo)結(jié)果為int&&

除了變量類型推導(dǎo)以外，在C++14中引入了decltype(auto)作為一種返回類型的語(yǔ)法。它用于在函數(shù)聲明中指定返回類型，該返回類型將從函數(shù)體中的表達(dá)式推導(dǎo)而來(lái)。

為了更好的理解decltype(auto)作為一種返回類型的語(yǔ)法，我們參考下面三種函數(shù)返回類型自動(dòng)推導(dǎo)定義方式。

第一種： C++14 基于auto新特性返回值類型自動(dòng)推導(dǎo)

template<typename Container, typename Index>
auto accessOrUpdate(Container& c, Index i) { 
  return c[i];  // 返回類推導(dǎo)為c[i]的類型，而且會(huì)異常引用限制      
}
std::vector<int> v{1,2,3,4,5};
accessOrUpdate(v,2) = 10;      // 編譯錯(cuò)誤，不允許賦值

第二種：C++14 基于auto和decltype實(shí)現(xiàn)返回值類型推導(dǎo)

template <typename Container, typename Index>
auto accessOrUpdate(Container &c, Index i) -> decltype(c[i]) {
  return c[i];
}
std::vector<int> v{1,2,3,4,5};
accessOrUpdate(v,2) = 10;

第三種：C++14 decltype(auto)實(shí)現(xiàn)返回值類型推導(dǎo)

template <typename Container, typename Index>
decltype(auto) accessOrUpdate(Container &c, Index i) {
  return c[i];
}
std::vector<int> v{1,2,3,4,5};
accessOrUpdate(v,2) = 10;

對(duì)比上述三種函數(shù)返回值類型推導(dǎo)，decltype(auto)可讓編譯器根據(jù)表達(dá)式的類型自動(dòng)推導(dǎo)函數(shù)的返回類型，而不需要顯式地指定返回類型。這種方式可簡(jiǎn)化代碼，而且推導(dǎo)更加靈活。

C++17

為與auto交相輝映，C++17開(kāi)始支持decltype(auto)非類型模板。但是需特別注意的是在C++17標(biāo)準(zhǔn)中，非類型模板參數(shù)類型必須是整理類型（int, short, long等），枚舉類型，指針類型，左值引用類型和std::nullptr_t，而自定義類型，浮點(diǎn)數(shù)和字符串則不允許作非類型模板參數(shù)。

template<decltype(auto) n>  // C++17 decltype(auto)形參聲明
auto f() -> std::pair<decltype(n), decltype(n)> // auto 不能從花括號(hào)初始化器列表推導(dǎo)
{
    return {n, n};
}
f<5>();      // n為int
f<(5)>();    // n為int&
f<'a'>();    // n為char
f<('a')>();  // n為char&
f<1.0>();    // 編譯失敗double不能作為模板參數(shù)，double不允許做非類型模板參數(shù)。

C++20允許字面量類類型作為非類型模板參數(shù)。例如在C++20之前，下述代碼無(wú)法編譯通過(guò)，而在C++20中則可以編譯通過(guò)。

class A {};
template <A a>
class B {};
A a;
B<a> b;  // C++20 前編譯失敗，C++20 可以編譯成功。

總結(jié)

本文從泛型編程中經(jīng)常會(huì)遇到2個(gè)常見(jiàn)問(wèn)題入手，循序漸進(jìn)的分析了從C++11開(kāi)始引入的關(guān)鍵字decltype，希望本文可以對(duì)大家有所幫助。

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