C++关键字系列(一)——auto 关键字

最近看完了《 C++20 高级编程（第 5 版）》，想整理一下主要内容，就从关键字开始吧，既作为总结复习，也作为面试准备。主要内容由 GPT 生成，我个人负责审查内容和代码，介意者请关闭并拉黑。

注意：本文包含 AI 生成内容

在 C++中，auto关键字有两个主要的用途：自动类型推断和返回值占位符。

• 自动类型推断🔍：auto可以根据初始化的值自动推断变量的类型。这在处理复杂类型，如 STL 容器的迭代器时，非常有用，可以使代码更加简洁。

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

// 使用 auto 关键字自动推断类型
for(auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
    std::cout << *it << std::endl;
}

在这个例子中，auto被用来自动推断it的类型，它是std::vector<int>::iterator。没有auto，我们需要手动写出这个复杂的类型📚。

• 返回值占位符🎯：在 C++14 以后，auto可以用作函数的返回值占位符，让编译器在编译时推断函数的返回类型。这在处理返回类型复杂或者依赖于模板参数的函数时非常有用。

template<typename T, typename U>
auto add(T t, U u) {
    return t + u;
}

int main() {
    auto result = add(1, 1.5);  // result 的类型被推断为 double
    std::cout << result << std::endl;
    return 0;
}

在这个例子中，auto被用作函数add的返回值类型🏷️。函数add可以接受任何类型的参数，返回值类型依赖于这些参数。由于参数类型在编译时才知道，所以我们使用auto让编译器在编译时推断返回值类型🔄。

• range-based for 循环📝： auto关键字也可用于 range-based for 循环中，这样可以让编译器自动推断容器元素的类型🔎。例如：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

for(auto x : vec) {
    std::cout << x << std::endl;
}

auto也可以搭配const/&/&&等修饰符使用，以避免拷贝或用于直接修改容器元素的值，例如：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

for(const auto& x : vec) {
    std::cout << x << std::endl;
}

• 结构化绑定🎁：在 C++17 以后，auto可以用于结构化绑定，这使得我们可以更方便地从复杂的数据结构中提取数据。例如👇：

std::map<std::string, int> map = {{"John", 1}, {"Mary", 2}};
for(auto [key, value] : map) {
    std::cout << key << ": " << value << std::endl;
}

在这个例子中，auto被用于结构化绑定，它可以自动推断key和value的类型，这是std::map<std::string, int>中的key_type和mapped_type。

当然，auto关键字在 C++中的用途不止于此🔍。它也可以用来构造泛型 lambda 表达式和简化函数模板👏。

• 泛型 lambda 表达式📝：在 C++14 以后，auto可以用于 lambda 表达式的参数类型，这使得我们可以写出通用的 lambda 表达式🎉。

auto add = [](auto x, auto y) { return x + y; };

std::cout << add(1, 2) << std::endl;        // 输出 3
std::cout << add("Hello, "s, "World!") << std::endl; // 输出 Hello, World!

在这个例子中，add是一个通用的 lambda 表达式，它可以接受任何类型的参数，并返回它们的和💡。auto关键字使得我们可以在编译时推断参数的类型💼。

• 简化函数模板 📝: 在 C++20 以后，auto可以用于普通函数的参数类型，这使得我们可以使用函数模板的简化语法。这是一个非常方便的特性，因为它可以让我们在编写函数模板时，无需显式声明模板参数。下面是一些示例：

auto add(auto a, auto b) {
    return a + b;
}

在这个例子中，add 函数可以接受任何类型的参数，只要这些类型支持 + 运算符。例如，我们可以这样调用它：

int main() {
    std::cout << add(1, 2) << std::endl; // 输出: 3
    std::cout << add(1, 2.5) << std::endl; // 输出: 3.5
    std::cout << add("John "s, "Smith") << std::endl; // 输出: John Smith
}

• 简化函数模板与 Concepts📚：C++20 引入了 concepts ，这是一种表达模板参数要满足的条件的方法🎈。它允许我们在函数参数中直接使用 concepts 来约束参数的类型，这种特性使得我们可以更简洁地编写泛型代码✍️。

首先，我们需要定义一个 concept 。以下是一个简单的Incrementable的定义🧮：

template<typename T>
concept Incrementable = requires(T t) {
    { t++ } -> std::same_as<T>;
};

这个 concept 检查一个类型是否可以被（后缀）自增🔍。

然后，我们可以在函数参数中使用这个 concept 和auto来约束参数的类型🎯：

void increment(const Incrementable auto& t) {
    // ...
}

这个函数接受一个Incrementable类型的参数🔎。如果我们尝试传递一个不能自增的类型，编译器就会报错⚠️。

下面是一个完整的例子，包括一个接受Incrementable类型参数的函数和一些调用这个函数的代码📖：

#include <iostream>
#include <concepts>

template<typename T>
concept Incrementable = requires(T t) {
    { t++ } -> std::same_as<T>;
};

void increment(const Incrementable auto& t) {
    auto copy = t;
    copy++;
    std::cout << copy << std::endl;
}

int main() {
    int a = 5;
    increment(a); // 输出 6

    // std::string b = "hello";
    // increment(b); // 编译错误，std::string 不是 Incrementable
    return 0;
}

在这个例子中，increment函数接受一个Incrementable类型的参数，复制它，然后打印自增后的值🖨️。在main函数中，我们传递了一个整数给increment函数，这是一个Incrementable类型🎯。如果我们尝试取消注释并传递一个std::string给increment函数，编译器就会报错，因为std::string不是Incrementable类型😵‍💫。