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2025-03-20
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第2章 函数参数的占位符类型

# 第2章 函数参数的占位符类型

泛型编程是C++的一个关键范式。因此，C++20也为泛型编程提供了一些新特性。然而，有一个基本的扩展在本书中或多或少会经常用到：现在你可以使用auto和其他占位符类型来声明普通函数的参数。

后面的章节将介绍更多泛型扩展：

  • 非类型模板参数的扩展
  • Lambda模板

# 2.1 普通函数参数的auto

自C++14起，Lambda表达式可以使用诸如auto这样的占位符来声明/定义其参数：

auto printColl = [] (const auto& coll) {   // 泛型Lambda表达式
    for (const auto& elem : coll) {
        std::cout << elem << "\n";
    }
};
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这些占位符允许我们传递任何类型的参数，前提是Lambda表达式内部的操作支持该类型：

std::vector coll{1, 2, 4, 5};
...
printColl(coll);                     // 为vector<int>编译Lambda表达式
printColl(std::string{ "hello "});   // 为std::string编译Lambda表达式
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自C++20起，你可以在所有函数（包括成员函数和运算符）中使用诸如auto这样的占位符：

void printColl(const auto& coll)   // 泛型函数
{
    for (const auto& elem : coll) {
        std::cout << elem << "\n";
    }
}
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这样的声明只是声明如下模板的一种快捷方式：

template<typename T>
void printColl(const T& coll)        // 等效的泛型函数
{
    for (const auto& elem : coll) {
        std::cout << elem << "\n";
    }
}
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唯一的区别在于，使用auto时，你不再有模板参数T的名称。因此，这个特性也被称为缩写函数模板语法（abbreviated function template syntax）。

因为使用auto的函数是函数模板，所以使用函数模板的所有规则都适用。这尤其意味着，你不能在一个翻译单元（CPP文件）中实现带有auto参数的函数，而在另一个翻译单元中调用它。对于带有auto参数的函数，整个实现都应该放在头文件中，以便在多个CPP文件中使用（否则，你必须在一个翻译单元中显式实例化该函数）。另一方面，它们不需要声明为inline，因为函数模板总是内联的。

此外，你可以显式指定模板参数：

void print(auto val) {
    std::cout << val << "\n";
}

print(64);  		// val的类型为int
print<char>(64);	// val的类型为char
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# 2.1.1 成员函数参数的auto

你也可以使用这个特性来定义成员函数：

class MyType {
   ...
    void assign(const auto& newVal);
};
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这个声明等同于（区别在于没有定义类型T）：

class MyType {
   ...
    template<typename T>
    void assign(const T& newVal);
};
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注意，模板不能在函数内部声明。使用带有auto参数的成员函数时，你不能再在函数内部局部定义类或数据结构：

void foo() {
    struct Data {
        void mem(auto);   // 错误：不能在函数内部声明模板
    };
}
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有关使用auto的成员operator ==的示例，请查看sentinel1.cpp 。

# 2.2 在实践中对参数使用auto

对参数使用auto有一些好处，同时也会带来一些影响。

# 2.2.1 auto实现的延迟类型检查

使用auto参数能显著降低实现存在循环依赖代码的难度。

例如，假设有两个类，它们相互使用对方类的对象。要使用另一个类的对象，就需要知道其类型定义；仅仅进行前向声明是不够的（仅声明引用或指针的情况除外）：

class C2; // 前向声明

class C1 {
public:
    void foo(const C2& c2) const {  // 正确
        c2.print();                 // 错误：C2是不完整类型
    }
    void print() const;
};

class C2 {
public:
    void foo(const C1& c1) const {
        c1.print();                // 正确
    }
    void print() const;
};
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虽然可以在类定义内部实现C2::foo()，但却无法实现C1::foo()，因为为了检查c2.print()调用是否有效，编译器需要C2类的定义。

因此，必须在声明完两个类的结构之后再实现C2::foo()：

class C2;
class C1 {
public:
    void foo(const C2& c2) const;  // 前向声明
    void print() const;
};

class C2 {
public:
    void foo(const C1& c1) const {
        c1.print();                // 正确
    }
    void print() const;
};

inline void C1::foo(const C2& c2) const {  // 实现（如果在头文件中则为内联）
    c2.print();                    // 正确
}
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由于泛型函数在调用时才会检查泛型参数的成员，因此通过使用auto，可以这样实现：

class C1 {
public:
    void foo(const auto& c2) const {
        c2.print();                // 正确
    }
    void print() const;
};

class C2 {
public:
    void foo(const auto& c1) const {
        c1.print();                // 正确
    }
    void print() const;
};
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这并非什么新鲜事。将C1::foo()声明为成员函数模板也能达到相同效果。不过，使用auto让这件事变得更简单。

需要注意的是，auto允许调用者传递任何类型的参数，只要该类型提供print()成员函数。如果你不希望这样，可以使用标准概念std::same_as来限制该成员函数仅对C2类型的参数有效：

#include <concepts>
class C2;

class C1 {
public:
    void foo(const std::same_as<C2> auto& c2) const {
        c2.print();                // 正确
    }
    void print() const;
};
...
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对于概念来说，不完整类型也能正常使用。

# 2.2.2 auto函数与lambda表达式的区别

带有auto参数的函数与lambda表达式有所不同。例如，如果不指定泛型参数，仍然无法将带有auto参数的函数作为参数传递：

bool lessByNameFunc(const auto& c1, const auto& c2) {   // 排序准则
    return c1.getName() < c2.getName();                 // - 按名称比较
}
...
std::sort(persons.begin(), persons.end(),
          lessByNameFunc);         // 错误：无法推导排序准则中参数的类型
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请记住，lessByName()的声明等效于：

template<typename T1, typename T2>
bool lessByNameFunc(const T1& c1, const T2& c2) {       // 排序准则
    return c1.getName() < c2.getName();                 // - 按名称比较
}
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由于函数模板不是直接被调用，编译器无法推导模板参数来编译调用。因此，在将函数模板作为参数传递时，必须显式指定模板参数：

std::sort(persons.begin(), persons.end(),
          lessByName<Customer, Customer>);   // 正确
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而使用lambda表达式时，可以直接传递：

auto lessByNameLambda = [] (const auto& c1, const auto& c2) {    // 排序准则
    return c1.getName() < c2.getName();   // 按名称比较
};
...
std::sort(persons.begin(), persons.end(), lessByNameLambda);     // 正确
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原因在于lambda表达式是一个对象，它本身没有泛型类型。只有将该对象作为函数使用时才具有泛型特性。

另一方面，显式指定（简化的）函数模板参数更为容易：

  • 只需在函数名后传递指定的类型：
void printFunc(const auto& arg) {
   ...
}
printFunc<std::string>("hello ");   // 调用为std::string编译的函数模板
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  • 对于泛型lambda表达式，则需要这样做：
auto printFunc = [] (const auto& arg) {
   ...
};

printFunc.operator()<std::string>("hello ");   // 调用为std::string编译的lambda表达式
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对于泛型lambda表达式，函数调用运算符operator()是泛型的。因此，必须将所需类型作为参数传递给operator()，以显式指定模板参数。

# 2.3 详细解析auto作为函数参数的情况

让我们详细探讨一下缩写函数模板中auto作为函数参数的一些特性。

# 2.3.1 auto参数的基本约束

使用auto声明函数参数与在lambda表达式中使用auto声明参数遵循相同规则：

  • 对于每个用auto声明的参数，函数都有一个隐式模板参数。
  • 参数可以是参数包：void foo(auto... args);。这等同于下面这种形式（不引入Types）：template<typename... Types> void foo(Types... args);。
  • 不允许使用decltype(auto)。

缩写函数模板仍可以（部分）显式指定模板参数进行调用。模板参数的顺序与调用参数的顺序一致。

例如：

void foo(auto x, auto y) {
    // ...
}

foo("hello", 42); // x的类型是const char*，y的类型是int
foo<std::string>("hello", 42); // x的类型是std::string，y的类型是int
foo<std::string, long>("hello", 42); // x的类型是std::string，y的类型是long
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# 2.3.2 结合模板参数和auto参数

缩写函数模板仍可以有显式指定的模板参数。占位符类型生成的模板参数会添加在指定参数之后：

template<typename T>
void foo(auto x, T y, auto z) {
    // ...
}

foo("hello", 42, ?);       // x的类型是const char*，T和y的类型是int，z的类型是char
foo<long>("hello", 42, ?); // x的类型是const char*，T和y的类型是long，z的类型是char
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因此，以下声明是等效的（除了使用auto的地方没有类型名称）：

template<typename T>
void foo(auto x, T y, auto z);

template<typename T, typename T2, typename T3> void foo(T2 x, T y, T3 z);
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正如我们稍后会介绍的，通过使用概念（concepts）作为类型约束，你可以约束占位符参数以及模板参数。然后，模板参数可用于这样的限定。

例如，以下声明确保第二个参数y具有整数类型，并且第三个参数z的类型可以转换为y的类型：

template<std::integral T>
void foo(auto x, T y, std::convertible_to<T> auto z) {
    // ...
}

foo(64, 65, 'c'); // 正确，x是int，T和y是int，z是char
foo(64, 65, "c"); // 错误："c" 无法转换为int类型（65的类型）
foo<long,char>(64, 65, 'c'); // 注意：x是char，T和y是long，z是char
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注意，最后一条语句指定参数类型的顺序是错误的。

模板参数顺序不符合预期这一情况可能会导致一些难以察觉的错误。考虑以下示例：

// lang/tmplauto.cpp
#include <vector>
#include <ranges>

void addValInto(const auto& val, auto& coll) {
    coll.insert(val);
}

template<typename Coll>     // 注意：模板参数顺序不同，需要std::ranges::random_access_range<Coll>
void addValInto(const auto& val, Coll& coll) {
    coll.push_back(val);
}

int main() {
    std::vector<int> coll;
    addValInto(42, coll);     // 错误：存在歧义
}
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由于在addValInto()的第二个声明中仅对第一个参数使用了auto，模板参数的顺序有所不同。根据被C++20接受的 http://wg21.link/p2113r0 (opens new window)，这意味着重载决议不会优先选择第二个声明，因此我们会得到一个歧义错误（目前并非所有编译器都能正确处理这种情况）。

由于这个原因，在混合使用模板参数和auto参数时要格外小心。理想情况下，应使声明保持一致。

# 2.4 后记

普通函数参数使用auto这一特性，最初是由Ville Voutilainen、Thomas Köppe、Andrew Sutton、Herb Sutter、Gabriel Dos Reis、Bjarne Stroustrup、Jason Merrill、Hubert Tong、Eric Niebler、Casey Carter、Tom Honermann和Erich Keane在 http://wg21.link/p1141r0 (opens new window) 中提出的，同时还包括对这些参数使用类型约束的选项。最终被接受的措辞由Ville Voutilainen、Thomas Köppe、Andrew Sutton、Herb Sutter、Gabriel Dos Reis、Bjarne Stroustrup、Jason Merrill、Hubert Tong、Eric Niebler、Casey Carter、Tom Honermann、Erich Keane、Walter E. Brown、Michael Spertus和Richard Smith在 http://wg21.link/p1141r2 (opens new window) 中确定。

上次更新: 2025/03/20, 19:44:38
第1章 比较和<=>运算符
第3章 概念、要求和约束

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