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Modern C++ 字面量一网打尽

在现代编程中, 代码的可读性和类型安全变得越来越重要. C++ 自 C++11 开始引入了一系列新特性, 使开发者能够以更加直观的方式表示数据, 从而减少隐式转换错误并提升代码可维护性.

环境要求

本文中的代码需要编译器支持 C++23 标准才能通过.

数值

二进制、八进制、十六进制字面量

符号类型样例
0b 或 0B二进制0b1111
0八进制017
0x 或 0X十六进制0xF
// 不同进制字面量
constexpr int base2 = 0b1111;  // 二进制 15
constexpr int base8 = 017;     // 8进制 15
constexpr int base10 = 15;     // 十进制 15
constexpr int base16 = 0xf;    // 16进制 15
// 检查
static_assert(base2 == 15);
static_assert(base8 == 15);
static_assert(base10 == 15);
static_assert(base16 == 15);

单引号作为数值分隔符

C++14 引入了单引号作为数值分隔符,可以提高可读性.

// 单引号作为数值分隔符
constexpr int a = 1'000'000;  // 1000000, 十进制
static_assert(a == 1000000);

// 同样适用于其他进制单位
constexpr int c = 0b1'0000;  // 16, 二进制
static_assert(c == 16);

constexpr int d = 01'0000;  // 4096, 八进制
static_assert(d == 4096);

constexpr int b = 0x1'0000;  // 65536, 十六进制
static_assert(b == 65536);

修饰存储类型

符号类型样例
u 或 Uunsigned1u
l 或 Llong1l
ll 或 LLlong long1ll
zstd::size_t0z
// 修饰存储类型
#include <type_traits>
auto si = 1;  // int, 默认
static_assert(std::is_same_v<decltype(si), int>);

auto ui = 1u;  // unsigned int
static_assert(std::is_same_v<decltype(ui), unsigned int>);

auto ul = 1ul;  // unsigned long
static_assert(std::is_same_v<decltype(ul), unsigned long>);

auto ull = 1ull;  // unsigned long long
static_assert(std::is_same_v<decltype(ull), unsigned long long>);

auto l = 0l;  // long
static_assert(std::is_same_v<decltype(l), long>);

auto ll = 0ll;  // long long
static_assert(std::is_same_v<decltype(ll), long long>);

auto z = 0z;  // C++23 引入, 定义带符号的 size_t 类型, 特别适用于循环中需要比较有符号和无符号值的场景
static_assert(std::is_same_v<decltype(z), std::ptrdiff_t>);

auto uz = 0uz;  // from C++23
static_assert(std::is_same_v<decltype(uz), std::size_t>);

为什么引入z和uz?

C++23 引入了z和uz修饰符, 用于带符号的size_t类型, 解决有符号数与无符号数比较的警告问题.

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
// 传统代码可能会出现如下警告:
// warning: comparison between signed and unsigned integer expressions
for (auto i = 0; i < vec.size(); ++i) {
  // do something
}
// 通过 uz 后缀可以避免:
for (auto i = 0uz; i < vec.size(); ++i) {
  // do something
}

浮点数字面量修饰符:

符号类型样例
f 或 Ffloat1.0f
l 或 Llong double1.0l
// 修饰浮点数
auto f = 1.0f;  // float
static_assert(std::is_same_v<decltype(f), float>);
auto d = 1.0;  // double, 默认
static_assert(std::is_same_v<decltype(d), double>);
auto ld = 1.0l;  // long double
static_assert(std::is_same_v<decltype(ld), long double>);

科学计数法

// 科学计数法
constexpr double e = 1e3;  // 1000.0
static_assert(e == 1000.0);
constexpr auto E = 1E3;  // 1000.0
static_assert(E == 1000.0);

字符字面量

符号类型样例
uchar16_tu'a'
Uchar32_tU'a'
Lwchar_tL'汉'
u8char8_tu8'a'
// 修饰字符
auto c = 'a';  // char, 默认
static_assert(std::is_same_v<decltype(c), char>);

auto wc = L'汉';  // wchar_t
static_assert(std::is_same_v<decltype(wc), wchar_t>);

auto u8c = u8'a';  // char8_t
static_assert(std::is_same_v<decltype(u8c), char8_t>);

auto u = u'a';  // char16_t
static_assert(std::is_same_v<decltype(u), char16_t>);

auto U = U'a';  // char32_t
static_assert(std::is_same_v<decltype(U), char32_t>);

字符串字面量

原始字符串字面量

对于多行字符串, 可以使用原始字符串字面量, 这样就不需要转义字符了.

// 原始字符串字面量
auto json = R"({"key": "value"})";
static_assert(std::is_same_v<decltype(json), const char*>);

std::string 字面量

C++14 引入了std::string字面量, 可以直接使用字符串字面量初始化std::string对象.

#include <string>
using namespace std::string_literals;  // C++14
auto str = "hello"s;                   // std::string, 注意这里的 s
auto ptr = "hello";                    // const char*
static_assert(std::is_same_v<decltype(str), std::string>);
static_assert(std::is_same_v<decltype(ptr), const char*>);

utf-8 字符串字面量

C++17 引入了utf-8字符串字面量, 可以直接使用utf-8字符串字面量初始化std::string对象.

// utf-8 字符串字面量
auto utf8 = u8"你好";
static_assert(std::is_same_v<decltype(utf8), const char*>);

其他字面量

布尔字面量

// 布尔字面量
auto boolean = true;  // bool, 默认
static_assert(std::is_same_v<decltype(boolean), bool>);
auto b2 = false;  // bool
static_assert(std::is_same_v<decltype(b2), bool>);

空指针字面量

// 空指针字面量
auto null = nullptr;  // std::nullptr_t, 默认
static_assert(std::is_same_v<decltype(null), std::nullptr_t>);

用户定义的字面量(User-Defined Literals, UDL)

C++11 引入了用户定义的字面量(User-Defined Literals, UDL), 允许程序员为自定义类型定义自己的字面量表示. 这通过定义一个字面量运算符实现, 运算符以 _ 开头, 后跟一个或多个字符. 用户定义字面量仅支持以下基础类型: int, unsigned int, long, unsigned long, float, double, long double, char, const char*.

以下是一个简单的例子,定义一个用于表示长度的用户定义字面量:

#include <iostream>

// 定义一个表示长度的结构体
struct Length {
  double value; // 长度值
  enum Unit { meter, kilometer, centimeter }; // 单位
  Unit unit; // 长度单位

  // 构造函数
  Length(double val, Unit u) : value(val), unit(u) {}
};

// 用户定义的字面量,用于米
Length operator"" _m(long double val) {
  return Length(val, Length::meter);
}

// 用户定义的字面量,用于千米
Length operator"" _km(long double val) {
  return Length(val, Length::kilometer);
}

// 用户定义的字面量,用于厘米
Length operator"" _cm(long double val) {
  return Length(val, Length::centimeter);
}

int main() {
  Length length1 = 10.0_m; // 10米
  Length length2 = 5.0_km; // 5千米
  Length length3 = 100.0_cm; // 100厘米

  std::cout << "Length1: " << length1.value << " meters\n";
  std::cout << "Length2: " << length2.value << " kilometers\n";
  std::cout << "Length3: " << length3.value << " centimeters\n";

  return 0;
}

结论与展望

现代 C++ 的字面量特性让开发者能够更加自然、直观地表示数据, 并提供了丰富的扩展能力. 结合用户定义字面量, 开发者可以将其应用到科学计算、图形编程、国际化支持等场景, 进一步提升代码的可读性和维护性.

源码

完整的样例在这里.

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C++字面量 Literal Language Features