C++11（一）assert 与 noexcept

分类于 ， ， 阅读次数： Disqus： 本文字数： 2.2k 阅读时长 ≈ 8 分钟

原图

静态断言 static_assert

断言 assert 宏只有在程序运行时才能起作用，而#error 只在编译器预处理时才能起作用。有的时候，我们希望在编译时能做一些断言。读者也可以尝试一下 Boost 库内置的 BOOST_STATIC_ASSERT，其缺陷都是很明显的：诊断信息不够充分，从而难以准确定位错误的根源。

在 C++11 标准中，引人了 static_assert 断言来解决这个问题。 static_assert 使用起来非常简单，它接收两个参数，一个是断言表达式，这个表达式通常需要返回一个 bool 值；一个则是警告信息，它通常也就是一段字符串，在出错时会输出该字符信息，这样出错位置就是非常明确的。

noexcept

noexcept 形如其名，表示其修饰的函数不会抛出异常。在 C++11 中如果 noexcept 修饰的函数抛出了异常，编译器可以选择直接调用 std::terminate 函数来终止程序的运行，这比基于异常机制的 throw 在效率上会高一些。这是因为异常机制会带来一些额外开销，比如函数抛出异常，会导致函数栈被依次地展开（ unwind），并依帧调用在本帧中已构造的自动变量的析构函数等。

当然， noexcept 更大的作用是保证应用程序的安全。比如一个类析构函数不应该抛出异常，那么对于常被析构函数调用的 delete 函数来说，C++默认将 delete 函数设置成 noexcept，就可以提高应用程序的安全性。而同样出于安全考虑，C++11 标准中让类的析构函数默认也是 noexcept(true) 的。当然，如果程序员显式地为析构函数指定了 noexcept，或者类的基类或成员有 noexcept(false) 的析构函数，析构函数就不会再保持默认值。

非静态成员的 sizeof

从 C 语言被发明开始， sizeof 就是一个运算符，也是 C 语言中除了加减乘除以外为数不多的特殊运算符之一。而在 C++引入类（ class）类型之后， sizeof 的定义也随之进行了拓展。不过在 C++98 标准中，对非静态成员变量使用 sizeof 是不能够通过编译的。我们可以看看下面的例子。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
#include <iostream>
using namespace std:
struct People
{
  public:
    int hand;
    static People * all;
};

int main()
{
    People p;
    cout << sizeof(p.hand) << endl;         //C++98 中通过，C++11 中通过
    cout << sizeof(People::all）<<endl；    //c++98 中通过，C+11 中通过
    cout << sizeof(People::hand）<< end1;   //C++98 中错误，C++11 中通过
}

注意最后一个 sizeof 操作。在 C++11 中，对非静态成员变量使用 sizeof 操作是合法的。而在 C++98 中，只有静态成员，或者对象的实例才能对其成员进行 sizeof 操作。因此如果读者只有一个支持 C++98 标准的编译器，在没有定义类实例的时候，要获得类成员的大小，我们通常会采用以下的代码：

1
sizeof (((People*)0)->hand)

这里我们强制转换 0 为一个 People 类的指针，继而通过指针的解引用获得其成员变量并用 sizeof 求得该成员变量的大小。而在 C++11 中，我们无需这样的技巧，因为 sizeof 可以作用的表达式包括了类成员表达式。

1
sizeof(People::hand);

可以看到，无论从代码的可读性还是编写的便利性，C++11 的规则都比强制指针转换的方案更胜一筹。

扩展的 friend 语法

friend 关键字用于声明类的友元，友元可以无视类中成员的属性。无论成员是 public、 protected 或是 private 的，友元类或友元函数都可以访问，这就完全破坏了面向对象编程中封装性的概念。因此，使用 friend 关键字充满了争议性。在通常情况下，面向对象程序开发的专家会建议程序员使用 Get/Set 接口来访问类的成员，但有的时候， friend 关键字确实会让程序员少写很多代码。因此即使存在争论， friend 还是在很多程序中被使用到。而 C++11 对 friend 关键字进行了一些改进，以保证其更加好用，我们可以看看下面的例子。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
class Poly;
typedef Poly P;

class Lilei {
    friend class Poly;  //C++98 通过，C++11 通过
};
class Jim {
    friend Poly;        //C++98 失败，C++11 通过
};
class Hanmeimei {
    friend p;           //C++98 失败，C++11 通过
};

虽然在 C++11 中这是一个小的改进，却会带来一点应用的变化一程序员可以为类模板声明友元了。这在 C++98 中是无法做到的。比如下面这个例子，如代码清单 2-20 所示。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
class P;

template <typename T>
class People{
    friend T;
};

People<P> PP;   //类型 P 在这里是 People 类型的友元
People<int> P;  //对于 int 类型模板参数，友元声明被忽略

从代码中我们看到，对于 People 这个模板类，在使用类 P 为模板参数时，P 是 People< P > 的一个 friend 类。而在使用内置类型 int 作为模板参数的时候， People< int >会被实例化为一个普通的没有友元定义的类型。这样一来，我们就可以在模板实例化时才确定一个模板类是否有友元，以及谁是这个模板类的友元。这是一个非常有趣的小特性，在编写一些测试用例的时候，使用该特性是很有好处的。

final/override 控制

final 关键字的作用是使派生类不可覆盖它所修饰的虚函数：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
struct object{
    virtual void fun()=0;
};

struct Base: public object {
    void fun() final;       //声明为 fina1
};
struct Derived: public Base {
    void fun();             //无法通过编译
};

派生于 Object 的 Base 类重载了 Object 的 fun 接口，并将本类中的 fun 函数声明为 final 的。那么派生于 Base 的 Derived 类对接口 fun 的重载则会导致编译时的错误。

在 C++11 中为了帮助程序员写继承结构复杂的类型，引入了虚函数描述符 override，如果派生类在虚函数声明时使用了 override 描述符，那么该函数必须重载其基类中的同名函数否则代码将无法通过编译。

外部模板

为什么需要外部模板

1
2
template <typename T>
void fun(T) {}

在第一个 test1.pp 文件中，我们定义了以下代码

1
2
#include test. h"
void test1() {fun(3)};

而在另一个 test2.cpp 文件中，我们定义了以下代码

1
2
#include "test.h"
void test2() {fun(4)};

由于两个源代码使用的模板函数的参数类型一致，所以在编译 test1.cpp 的时候，编译器实例化出了函数 fun(int)，而当编译 test2.cpp 的时候，编译器又再一次实例化出了函数 fun(int)。那么可以想象，在 test1.o 目标文件和 test2.o 目标文件中，会有两份一模一样的函数 fun(int) 代码。而代码重复，为了节省空间，保留其中之一就可以了。事实上，大部分链接器也是这样做的，在链接的时候，链接器通过一些编译器辅助的手段将重复的模板函数代码 fun(int) 删除掉，只保留了单个副本。我们可以看看下图中的模板函数的编译与链接的过程示意。

不过读者也注意到了，对于源代码中出现的每一处模板实例化，编译器都需要去做实例化的工作；而在链接时，链接器还需要移除重复的实例化代码。会极大地增加编译器的编译时间和链接时间。解决这个问题的方法就是使用“外部的”模板。

显式的实例化与外部模板的声明

外部模板的使用实际依赖于 C++98 中一个已有的特性，即显式实例化。显式实例化的语法很简单，比如对于以下模板：

1
2
template <typename T>
void fun(T){}

我们只需要声明：

1
template void fun<int>(int);

这就可以使编译器在本编译单元中实例化出一个 fun(int) 版本的函数（这种做法也被称为强制实例化）。而在 C++11 标准中，又加入了外部模板（ Extern Template）的声明。语法上，外部模板的声明跟显式的实例化差不多，只是多了一个关键字 extern。对于上面的例子，我们可以通过：

1
extern template void fun<int>(int)

首先，在 test1.cpp 做显式地实例化：

1
2
3
#include "test.h"
template void fun<int>(int);    //显示地实例化
void test1(){fun(3)};

接下来，在 test2.cpp 中做外部模板的声明：

1
2
3
#incude "test.h"
extern template void fun<int>（int）;   //外部模板的声明
void test1() {fun(3)};

这样一来，在 test2.o 中不会再生成 fun(int) 的实例代码。整个模板的实例化流程如下图所示。

可以看到，由于 test2.o 不再包含 fun(int) 的实例，因此链接器的工作很轻松，基本跟外部变量的做法是一样的，即只需要保证让 test1.cpp 和 test2.cpp 共享一份代码位置即可。而同时，编译器也不用每次都产生一份 fun(int) 的代码，所以可以减少编译时间。这里也可以把外部模板声明放在头文件中，这样所有包含 test.h 的头文件就可以共享这个外部模板声明了，这一点跟使用外部变量声明是完全一致的。

参考文献

《深入理解 C++11：C++11 新特性解析与应用》