阿荣的个人网站

C++23新特性: 掌握Deducing this, 编写更高效, 更灵活的代码

C++23 引入了一项令人兴奋的新特性——deducing this. 它完全改变了我们对成员函数中 this 指针的使用方式, 不仅增强了代码的灵活性, 还在泛型编程中带来了更多新可能性. 本文将详细解析该特性, 并给出具体的应用场景, 帮助读者学习并熟练它.

基本语法

在 C++23 之前, this 指针的类型是隐式的, 我们无法直控它. 现在, 我们可以使用新语法显式声明 this 参数:

class Example {
  void traditional_method() {
    // 传统方式: this的类型是隐式的 Example*
  }

  void explicit_this(this Example& self) {
    // 新语法: 显式声明this参数
  }
};

主要用途

1. 统一左值和右值版本

传统方式写法

class Counter {
 public:
  int value = 0;

  void increment() & {  // 左值版本
    ++value;
  }

  void increment() && {  // 右值版本
    ++value;
  }
};

int main() {
  Counter tc;
  tc.increment();         // 调用左值版本
  Counter{}.increment();  // 调用右值版本
  return 0;
}

使用deducing this

class Counter {
 public:
  int value = 0;

  void increment(this auto&& self) { ++self.value; }
};

int main() {
  Counter mc;
  mc.increment();         // 调用左值版本
  Counter{}.increment();  // 调用右值版本
  return 0;
}

2. 完美转发 this

传统方式写法

#include <string>
class Widget {
 public:
  std::string& GetData() & { return data; }

  const std::string& GetData() const& { return data; }

  std::string&& GetData() && { return std::move(data); }

 private:
  std::string data;
};

int main() {
  Widget w1;
  const Widget w2;

  std::string& ref = w1.GetData();          // 调用左值版本
  const std::string& cref = w2.GetData();   // 调用 const 左值版本
  std::string&& rref = Widget{}.GetData();  // 调用右值版本

  return 0;
}

使用 deducing this

#include <string>

class Widget {
 public:
  template <typename Self>
  auto&& GetData(this Self&& self) {
    // 根据对象是左值还是右值返回相应的引用类型
    return std::forward<Self>(self).data;
  }

 private:
  std::string data;
};

int main() {
  Widget w1;
  const Widget w2;

  auto& ref = w1.GetData();          // 自动推导左值
  const auto& cref = w2.GetData();   // 自动推导 const 左值
  auto&& rref = Widget{}.GetData();  // 自动推导右值

  return 0;
}

3. 链式调用优化

传统方式写法

#include <iostream>
#include <string>

class StringBuilder {
 public:
  std::string data;

  StringBuilder& append(std::string_view str) {
    data += str;
    return *this;
  }
};

int main() {
  StringBuilder sb;
  sb.append("Hello").append(", ").append("world!");
  std::cout << sb.data << std::endl;  // 输出: Hello, world!
  std::cout << StringBuilder{}.append("Temporary").append(" Object").data
            << std::endl;  // 输出: Temporary Object
  return 0;
}

使用 deducing this

#include <iostream>
#include <string>

class StringBuilder {
 public:
  std::string data;

  auto&& append(this auto&& self, std::string_view str) {
    self.data += str;
    return std::forward<decltype(self)>(self);
  }
};

int main() {
  StringBuilder sb;
  sb.append("Hello").append(", ").append("world!");
  std::cout << sb.data << std::endl;  // 输出: Hello, world!
  std::cout << StringBuilder{}.append("Temporary").append(" Object").data
            << std::endl;  // 输出: Temporary Object
  return 0;
}

4. const 限定策备处理

传统方式写法

#include <iostream>
#include <vector>

class DataContainer {
 public:
  const std::vector<int>& GetData() const { return data; }
  std::vector<int>& GetData() { return data; }

 private:
  std::vector<int> data;
};

int main() {
  DataContainer dc;
  const DataContainer cdc;

  std::vector<int>& ref = dc.GetData();          // 获取非 const 数据引用
  const std::vector<int>& cref = cdc.GetData();  // 获取 const 数据引用

  return 0;
}

使用 deducing this

#include <iostream>
#include <vector>
#include <utility>  // for std::as_const

class DataContainer {
 public:
  template <typename Self>
  auto&& GetData(this Self&& self) {
    if constexpr (std::is_const_v<std::remove_reference_t<Self>>) {
      return std::as_const(self.data);
    } else {
      return self.data;
    }
  }

 private:
  std::vector<int> data;
};

int main() {
  DataContainer dc;
  const DataContainer cdc;

  std::vector<int>& ref = dc.GetData();          // 获取非 const 数据引用
  const std::vector<int>& cref = cdc.GetData();  // 获取 const 数据引用

  return 0;
}

CRTP 模式简化

CRTP, 全称为 Curiously Recurring Template Pattern(奇异递归模板模式), 是一种在 C++中常用的设计模式, 用于实现类型安全和提高代码灵活性. CRTP 是一种模板设计模式, 其中基类以派生类作为模板参数. 这种模式允许基类中的代码在编译时知道派生类的具体类型, 并通过静态多态性来避免运行时的开销.

CRTP 的优点

  1. 静态多态性: CRTP 允许在编译时确定函数调用, 避免了运行时的虚函数调用开销.
  2. 类型安全: 基类可以使用派生类的特性, 从而在编译时捕获错误.
  3. 代码复用: CRTP 基类可以实现通用功能, 而具体行为可以由派生类提供.

CRTP 的实际应用

  1. 实现静态接口约束: 基类提供一个接口, 要求派生类实现特定函数.
  2. 统一接口: 简化代码逻辑, 比如处理类型不同但行为类似的类.
  3. EBO 优化(Empty Base Optimization): CRTP 可以用于优化内存布局, 避免空基类增加额外的内存开销.

传统方式写法

以下是一个简单的 CRTP 示例:

#include <iostream>

// 定义一个 CRTP 基类
template <typename Derived>
class Base {
 public:
  void interface() {
    // 调用派生类的实现
    static_cast<Derived*>(this)->implementation();
  }
};

// 派生类继承自 CRTP 基类
class Derived : public Base<Derived> {
 public:
  void implementation() {
    std::cout << "Derived implementation called!" << std::endl;
  }
};

class DerivedAnother : public Base<DerivedAnother> {
 public:
  void implementation() {
    std::cout << "Another implementation called!" << std::endl;
  }
};

int main() {
  Derived obj;
  DerivedAnother another;
  obj.interface();      // 输出: Derived implementation called!
  another.interface();  // 输出: Another implementation called!
  return 0;
}

使用 deducing this

#include <iostream>

template <typename Derived>
class Base {
 public:
  // 调用派生类的实现
  void interface(this Derived& self) { self.implementation(); }
};

// 派生类继承自 CRTP 基类
class Derived : public Base<Derived> {
 public:
  void implementation() {
    std::cout << "Derived implementation called!" << std::endl;
  }
};

class DerivedAnother : public Base<DerivedAnother> {
 public:
  void implementation() {
    std::cout << "Another implementation called!" << std::endl;
  }
};

int main() {
  Derived obj;
  DerivedAnother another;
  obj.interface();      // 输出: Derived implementation called!
  another.interface();  // 输出: Another implementation called!
  return 0;
}

优势

  1. 更清晰的代码意图: 显式声明 this 参数使得函数的行为更加明确.
  2. 更好的泛型支持: 可以在模板中更灵活地处理 this 指针类型.
  3. 统一的函数调用语法: 成员函数和非成员函数可以使用相同的调用方式.
  4. 简化 CRTP 实现: 使得咖哩通路模板模式的实现更加直观.

注意事项

  1. 显式this参数必须是第一个参数.
  2. 不能在构造函数和析构函数中使用deducing this.
  3. 虚函数不支持deducing this.

总结

deducing this 是 C++23 中一个强大的新特性, 它为面向对象编程和泛型编程提供了新的工具. 通过显式声明 this 参数, 我们可以编写更灵活, 更通用的代码, 同时保持代码的可读性和可维护性.

该特性特别适合需要处理对象生命周期, 实现通用组件或优化性能的场景. 随着 C++23 的普及, 相信我们会看到更多基于该特性的创新用法.

参考资料

源码链接

源码链接

Tags:

C++23 Deducing This