C++标准库实用工具与特性详解

### C++标准库实用工具与特性详解 #### 1. 异常抛出与标准异常类 在C++中，抛出标准异常是比较简单的。例如： ```cpp throw std::out_of_range ("out_of_range (somewhere, somehow)"); throw std::system_error (std::make_error_code(std::errc::invalid_argument), "argument ... is not valid"); ``` 不过，不能抛出基类`exception`以及用于语言支持的异常类（如`bad_cast`、`bad_typeid`、`bad_exception`）的异常。 另外，还可以定义直接或间接从`exception`类派生的特殊异常类。要做到这一点，必须确保`what()`机制或`code()`机制能够正常工作，因为`what()`是虚函数。 #### 2. 可调用对象 C++标准库在不同地方使用了“可调用对象”这一术语，它指的是能够以某种方式调用某些功能的对象，主要包括以下几种： - **函数**：可以传递额外参数作为参数。 - **成员函数指针**：第一个额外参数必须是对象的引用或指针，其余参数作为成员函数的参数。 - **函数对象**：通过重载`operator()`来调用。 - **lambda表达式**：严格来说，它是一种函数对象。 以下是一个示例代码： ```cpp void func (int x, int y); auto l = [] (int x, int y) { // ... }; class C { public: void operator () (int x, int y) const; void memfunc (int x, int y) const; }; int main() { C c; std::shared_ptr<C> sp(new C); // bind()使用可调用对象绑定参数 std::bind(func,77,33)(); std::bind(l,77,33)(); std::bind(C(),77,33)(); std::bind(&C::memfunc,c,77,33)(); std::bind(&C::memfunc,sp,77,33)(); // async()使用可调用对象启动（后台）任务 std::async(func,42,77); std::async(l,42,77); std::async(c,42,77); std::async(&C::memfunc,&c,42,77); std::async(&C::memfunc,sp,42,77); } ``` 可以看到，智能指针也可用于传递成员函数调用的对象。一般来说，可以使用`std::function<>`类来声明可调用对象。 #### 3. 并发与多线程 在C++11之前，C++语言和标准库对并发没有提供支持，不过实现可以自行给出一些保证。C++11改变了这一状况，核心语言和库都得到了改进，以支持并发编程。 在核心语言方面： - 引入了内存模型，保证不同线程对两个不同对象的更新是相互独立的。在C++11之前，无法保证一个线程写入`char`不会干扰另一个线程写入另一个`char`。 - 引入了新关键字`thread_local`，用于定义线程特定的变量和对象。 在库方面： - 提供了一些关于线程安全的保证。 - 提供了支持并发的类和函数（用于启动和同步多个线程）。 C++标准库关于并发和多线程的一般约束如下： | 约束类型 | 具体描述 | | ---- | ---- | | 共享对象修改 | 多个线程共享一个库对象，且至少有一个线程修改该对象时，可能会导致未定义行为。除非该类型的对象明确指定可以无数据竞争地共享，或者用户提供了锁定机制。 | | 对象构造与使用 | 在一个线程中构造对象时，在另一个线程中使用该对象会导致未定义行为。同样，在一个线程中销毁对象时，在另一个线程中使用该对象也会导致未定义行为，这甚至适用于用于线程同步的对象。 | 支持并发访问库对象的重要场景如下： - **STL容器和容器适配器**： - 支持并发只读访问，如调用`begin()`、`end()`等非常量成员函数，以及通过迭代器访问（前提是不修改容器）。 - 除了`vector<bool>`，支持对同一容器的不同元素进行并发访问。 - **标准流的格式化输入输出**：与C I/O同步的标准流（如`std::cin`、`std::cout`、`std::cerr`）支持并发访问，但可能会导致字符交错。对于字符串流、文件流或流缓冲区，并发访问会导致未定义行为。 - **特定函数调用**：`atexit()`和`at_quick_exit()`的并发调用是同步的，设置或获取新的、终止或意外处理程序的函数（如`set_new_handler()`等）也是同步的，`getenv()`也是同步的。 - **默认分配器**：除析构函数外，默认分配器的所有成员函数的并发访问是同步的。 #### 4. 分配器 C++标准库在多个地方使用特殊对象来处理内存的分配和释放，这些对象被称为分配器。它们代表一种特殊的内存模型，用于将内存使用需求抽象为对内存的原始调用。同时使用不同的分配器对象可以在程序中使用不同的内存模型。 最初，分配器作为STL的一部分引入，用于处理PC上不同指针类型（如近指针、远指针和巨指针）的问题。现在，分配器成为了使用某些内存模型（如共享内存、垃圾回收和面向对象数据库）的技术解决方案的基础，而无需更改接口。 C++标准库定义了默认分配器： ```cpp namespace std { template <typename T> class allocator; } ``` 默认分配器在可以使用分配器作为参数的地方都作为默认值使用。它会调用`new`和`delete`运算符进行内存分配和释放，但具体调用时机和频率未作规定。在大多数程序中，通常使用默认分配器。其他库有时会提供适合特定需求的分配器，在这种情况下，只需将它们作为参数传递即可。只有在极少数情况下，才有必要编写分配器。 #### 5. 实用工具概述 C++标准库的实用工具包括一些小而简单的类、类型或函数，用于执行常见任务，主要有以下几类： - `pair<>`和`tuple<>`类 - 智能指针类（如`shared_ptr<>`和`unique_ptr`） - 数值限制 - 类型特征和类型实用工具 - 辅助函数（如`min()`、`max()`和`swap()`） - `ratio<>`类 - 时钟和计时器 - 一些重要的C函数 这些实用工具中的大部分在C++标准的“通用实用工具”条款中描述，其余部分与库的其他主要组件一起描述，原因可能是它们主要与特定组件一起使用，或者出于历史原因。 #### 6. 对和元组 在C++98中，提供了一个简单的类来处理不同类型的值对，而无需定义特定的类。TR1引入了元组类，将值对的概念扩展到任意但有限数量的元素。C++11使用可变参数模板重新实现了元组类，现在有了适用于任意大小异构集合的标准元组类。同时，`pair`类仍然用于处理两个元素，并且可以与二元组一起使用。 ##### 6.1 对（Pairs） `pair`类将两个值视为一个单元，在C++标准库的多个地方都有使用。例如，`map`、`multimap`、`unordered_map`和`unordered_multimap`容器类使用`pair`来管理它们的元素（键值对）。 `pair`类的定义如下： ```cpp namespace std { template <typename T1, typename T2> struct pair { T1 first; T2 second; // ... }; } ``` `pair`类的操作如下表所示： | 操作 | 效果 | | ---- | ---- | | `pair<T1,T2> p` | 默认构造函数，创建一个`T1`和`T2`类型的值对，使用默认构造函数初始化。 | | `pair<T1,T2> p(val1,val2)` | 创建一个`T1`和`T2`类型的值对，用`val1`和`val2`初始化。 | | `pair<T1,T2> p(rv1,rv2)` | 创建一个`T1`和`T2`类型的值对，使用移动语义初始化。 | | `pair<T1,T2> p(piecewise_construct, t1,t2)` | 使用元组`t1`和`t2`的元素初始化`T1`和`T2`类型的值对。 | | `pair<T1,T2> p(p2)` | 复制构造函数，创建`p`作为`p2`的副本。 | | `pair<T1,T2> p(rv)` | 移动构造函数，将`rv`的内容移动到`p`（可能进行隐式类型转换）。 | | `p = p2` | 将`p2`的值赋给`p`（C++11起支持隐式类型转换）。 | | `p = rv` | 移动赋值，将`rv`的值赋给`p`（C++11起支持，可能进行隐式类型转换）。 | | `p.first` | 直接访问对中的第一个值。 | | `p.second` | 直接访问对中的第二个值。 | | `get<0>(p)` | 等同于`p.first`（C++11起）。 | | `get<1>(p)` | 等同于`p.second`（C++11起）。 | | `p1 == p2` | 判断`p1`是否等于`p2`（等同于`p1.first==p2.first && p1.second==p2.second`）。 | | `p1 != p2` | 判断`p1`是否不等于`p2`（`!(p1==p2)`）。 | | `p1