Key Takeaways：

• C++ 依然非常重要，而且將會永遠如此。

• 有許多資源可以幫助我們學(xué)習(xí)現(xiàn)代 C++，包括 Godbolt 的編譯器探索器、ISOCpp 和 CppReference。

• C++ 可以比以前更加簡單。除了便利性相關(guān)的增強外，潛在的性能改善也是 C++11 和后續(xù)標準的驅(qū)動力之一。

• 我們通過填充一個 vector 并輸出其內(nèi)容進行練習(xí)。我們通過在 vector 上使用算法、range 和 lambda，以便于尋找具有特定屬性的元素，實現(xiàn)進一步的練習(xí)。

C++ 是一門古老但不斷演進的語言。你幾乎可以使用它來做任何事情，而且可以在很多地方找到它的身影。實際上，C++ 的發(fā)明者 Bjarne Stroustrup 將其描述為一切事物的隱形基礎(chǔ)。有時，它可以深入到另外一門語言的庫中，因為 C++ 可以用于性能關(guān)鍵的路徑中。它可以在小型的嵌入式系統(tǒng)中運行，也可以為視頻游戲提供動力。你的瀏覽器可能正在使用它。C++ 幾乎無處不在！

C++ 為何如此重要

迄今為止，C++ 已經(jīng)存在了很長的時間，但是其變化也是非常大的，尤其是 2011 年之后。當時，推出了一個名為 C++11 的新標準，標志著一個頻繁更新的時代正式開啟。如果你從 C++11 就沒有使用過 C++，那么你有很多東西需要補習(xí)，這要從哪里開始呢？

該語言是需要編譯的，面向特定的架構(gòu)，如 PC、大型機、嵌入式設(shè)備、定制硬件，或者你想到的其他東西。如果你需要代碼在不同類型的機器上運行，那需要重新編譯它。這有缺點也有優(yōu)點。不同的配置會帶來更多的維護工作，但編譯到特定架構(gòu)能夠讓你“因地制宜（down to the metal）”，從而獲得速度方面的優(yōu)勢。

不管你的目標是哪種平臺，均需要一個編譯器。你還需要一個編輯器或集成開發(fā)環(huán)境（IDE）來編寫 C++ 代碼。ISOCpp 給出了一個資源清單，包括 C++ 編譯器。Gnu 編譯器集（Gnu compiler collection，gcc）、Clang 和 Visual Studio 均有免費版本。你甚至可以使用 Matt Godbolt 的編譯器探索器，在瀏覽器上嘗試基于各種編譯器的代碼。編譯器可能支持不同版本的 C++，所以必須在編譯器標記中說明你所需要的版本，例如 g++ 的 -std=c++23 或 Visual Studio 的 /std:c++latest。ISOCpp 網(wǎng)站上有一個 FAQ 區(qū)域，概述了最近的一些變化，包括 C++11 和 C++14，以及整體的概覽。另外，還有多本關(guān)于 C++ 最近版本的圖書。

使用 Vector 快速了解 C++11

如果你已經(jīng)被落下了，那么大量的資源可能會讓你不知所措。但是，我們可以通過一個小例子來理解一些基礎(chǔ)知識。停下來，親自動手試一試往往是最好的學(xué)習(xí)方法。因此，我們從簡單基礎(chǔ)的東西開始吧！

一個很有用（且簡單）的起點是不太起眼的 vector，它位于 std 命名空間的 vector 頭文件中。CppReference 提供了一個概述，告訴我們 vector 是一個序列容器，封裝了動態(tài)大小的數(shù)組。因此，vector 包含了一個連續(xù)的元素序列，我們可以根據(jù)需要調(diào)整 vector 的大小。vector 本身是一個類模板，因此它需要一個類型，例如 std::vector。我們可以使用 push_back 將一個條目添加到 vector 的尾部。C++11 引入了一個名為 emplace_back 的新方法，該方法取值來構(gòu)造一個新的條目。對于 int，代碼看上去是一樣的：

std::vector<int> numbers;
numbers.push_back(1);
numbers.emplace_back(1);

如果我們有比 int 更復(fù)雜的東西，那么就可能在 emplace 版本中獲得性能方面的收益，因為 emplace 版本可以就地構(gòu)造條目，從而避免對其進行復(fù)制。

C++11 引入了 r-value 引用和移動語義（move semantics）來避免不必要的復(fù)制。潛在的性能改善是 C++11 的驅(qū)動力之一，后續(xù)的版本都是在此基礎(chǔ)上進行的。為了解釋什么是 r-value 引用，我們可以考慮前面樣例中的 push_back 方法。它有兩個重載形式，其中一個會接受一個常量引用，即 const T& 值，另外一個接受一個 r-value 引用，即 T&& 值。第二個版本會將元素移動到 vector 中，這可以避免復(fù)制臨時對象。與之類似，emplace_back 的簽名通過 r-value 引用來獲取參數(shù)，Args&&…，同樣允許移動參數(shù)而無需復(fù)制。移動語義是一個很大的話題，我們只是接觸到了它的皮毛。如果你想了解更多詳情的話，Thomas Becker 在 2013 年撰寫了一篇很好的文章，介紹了它的細節(jié)。

我們創(chuàng)建一個 vector 并在其中放置幾個條目，然后使用來自 iostream 頭文件的 std::cout 展示其內(nèi)容。我們使用流插入操作符<<來顯示這些元素。我們基于 vector 的 size 編寫一個 for 循環(huán)，并使用操作符 [] 來訪問每個元素：

#include 
#include 
void warm_up()
{
    std::vector<int> numbers;
    numbers.push_back(1);
    numbers.emplace_back(1);
    for(int i=0; i
    {
        std::cout << numbers[i] << ' ';
    }
    std::cout << '
';
}
int main()
{
    warm_up();
}

該代碼會顯示兩個 1。這段代碼可以在編譯器探索器上找到。

類模板參數(shù)推斷

讓我們做一些更有意思的事情，并學(xué)習(xí)一下現(xiàn)代的 C++。我們構(gòu)建幾個數(shù)字三角，會發(fā)現(xiàn)它們之間存在一個模式。數(shù)字三角的值是 1，3，6，10……它們分別由 1，1+2，1+2+3，1+2+3+4，……相加而成。如果我們這些斯諾克球架起來，就可以組成一個三角形，它也因此得名：

如果再增加一排，我們就會再增加六個斯諾克球。再加一排就會增加七個，以此類推。

為了得到數(shù)字 1，2，3 等，我們可以構(gòu)建一個充滿 1 的 vector，然后將這些數(shù)字相加。我們可以直接創(chuàng)建一個 vector，比如 18 個 1，而不必再增加另一個循環(huán)。我們說明想要多少個元素，然后再指明它的值：

   std::vector numbers(18, 1);

注意我們不需要再聲明了。因為從 C++17 開始，類模板參數(shù)推斷（CTAD）就已經(jīng)實現(xiàn)了。編譯器可以推斷出我們指的是 int，因為我們要求的值是 1，這是一個 int。如果我們需要顯示 vector，那么可以使用基于 range 的 for 循環(huán)。此時，我們不必使用基于 vector 索引的傳統(tǒng) for 循環(huán)，而是聲明一個類型，甚至可以使用新的關(guān)鍵字 auto，告訴編譯器判斷類型，然后是冒號和容器：

   for (auto i : numbers)
    {
        std::cout << i << ' ';
    }
    std::cout << '
';

CTAD 和基于 range 的 for 循環(huán)是 C++11以來引入的一些便利特性。

Range

有了由“1”組成的 vector，我們就可以包含numeric頭文件，并使用部分的和來填充一個新的vector，如 1，1+1，1+1+1……，這樣就有了 1，2，3……我們需要聲明新vector的類型，因為這里要從一個空的vector開始，如果沒有任何值可供使用，那么編譯器將無法推斷其類型。partial_sum需要開頭和結(jié)尾的數(shù)字，最后我們需要使用back_inserter，這樣目標 vector 會根據(jù)需要增長：

    #include 
…
    std::vector numbers(18, 1);
    std::vector<int> sums;
    std::partial_sum(numbers.begin(), numbers.end(),
        std::back_inserter(sums));

這樣我們就得到了 1 到 18 的數(shù)字，均包含邊界值。我們已經(jīng)完成了數(shù)字三角的部分工作，但是 C++ 現(xiàn)在可以讓我們的代碼更加簡潔。C++11 引入了?iota?函數(shù)，也位于numeric頭文件中，它能夠用不斷增加的值填充一個容器：

std::vector<int> sums(18);
std::iota(sums.begin(), sums.end(), 1);

實際上，C++23引入了一個range版本，它會為我們找到對應(yīng)的begin和end：

  std::iota(sums, 1);

C++23 還沒有得到廣泛的支持，所以可能需要等到你的編譯器提供 range 版本。numeric 和 algorithm 頭文件中的很多算法都有兩個版本，其中一個需要一對輸入迭代器（即 first and last），另一個則是 range 版本，只需要接受容器即可。ranges 重載正在逐漸添加到標準 C++ 中。ranges 提供的功能遠遠超過我們這里避免聲明兩個迭代器的場景。我們可以過濾和轉(zhuǎn)換輸出，將這些東西連接在一起，并使用視圖來避免復(fù)制數(shù)據(jù)。ranges 支持惰性計算，所以視圖的內(nèi)容會在需要的時候才評估計算出來。Ivan ?uki?的 Functional Programming in C++ 一書在這方面提供了更多的細節(jié)（書中還包含更多的內(nèi)容）。

我們需要做的最后一件事就是形成數(shù)字三角。查看 vector 的部分和：

   std::partial_sum(sums.begin(), sums.end(), sums.begin());

我們已經(jīng)得到了想要的數(shù)字三角，即 1，3，6，10，15……171。

我們注意到，有些算法有 ranges 版本，那我們可以嘗試一個。前兩個三角數(shù)字是 1 和 3 是奇數(shù)，然后是兩個偶數(shù) 6 和 10。這個模式是不是可持續(xù)的呢？如果我們對 vector 進行轉(zhuǎn)換，用點號“.”來標記奇數(shù)，用星號“*”來標記偶數(shù)，就能看出最終結(jié)果。我們可以聲明一個新的 vector 來存放轉(zhuǎn)換結(jié)果。對于每個數(shù)字，僅需要一個字符，所以我們需要一個 char 類型的 vector：

std::vector<char> odd_or_even.

我們可以編寫一個簡短的函數(shù)，它會獲取一個 int 并返回對應(yīng)的字符：

char flag_odd_or_even(int i)
{
    return i % 2 ? '.' : '*';
}

如果 i % 2 的值不為零，這就是一個奇數(shù)，所以我們返回.，否則，返回 *。我們可以在來自 algorithm 頭文件的 transform 函數(shù)中使用這個自己的函數(shù)。最初的版本需要一對輸入迭代器（first 和 last）、一個輸出迭代器和一個一元函數(shù)（unary function），該函數(shù)會接受一個輸入，就像我們的 flag_odd_or_even 函數(shù)這樣。C++20 引入了一個 ranges 版本，它能夠接受一個輸入源，而不是一對迭代器，另外還需要一個輸出迭代器和一元函數(shù)。這意味著我們可以通過如下方式來轉(zhuǎn)換先前生成的和：

   std::vector<char> odd_or_even;
    std::transform(sums,
        std::back_inserter(odd_or_even),
        flag_odd_or_even);

輸出將會如下所示：

. . * * . . * * . . * * . . * * . .

看上去，我們確實是不斷地得到兩個奇數(shù)，然后是兩個偶數(shù)。Stack Exchange 的數(shù)學(xué)網(wǎng)站闡述了出現(xiàn)這種現(xiàn)象的原因。

Lambdas

我們使用另一個新的 C++ 特性對我們的代碼做最后的改進。如果我們想要看一下實際的轉(zhuǎn)換代碼的話，那需要要轉(zhuǎn)移到另外一個地方才能看到這個一元函數(shù)都做了些什么。

C++11 引入了匿名函數(shù)或 lambda 表達式的特性。它們看起來與有名稱的函數(shù)類似，將參數(shù)放在括號中，將函數(shù)主體放到花括號中，但是它們沒有名字，不需要返回類型，并且有一個用 [] 表示的捕獲組：

[](int i) { return i%2? '.':'*'; }

如果與有名稱的函數(shù)進行對比，會看到兩者的相似性：

char flag_odd_or_even(int i){ return i % 2 ? '.' : '*'; }

我們可以在捕獲組中聲明變量，這會給我們一個閉包。這些內(nèi)容超出了本文的范圍，但是在函數(shù)式編程中它們是非常強大和常見的。

如果我們將一個 lambda 分配給一個變量，

auto lambda = [](int i) { return i % 2 ? '.' : '*'; };

那么，我們就可以像調(diào)用有名稱的函數(shù)那樣調(diào)用它：

lambda(7);

這個特性允許我們使用 lambda 重寫轉(zhuǎn)換調(diào)用：

    std::transform(sums,
        std::back_inserter(odd_or_even),
        [](int i) { return i%2? '.':'*'; });

這樣的話，我們就可以在一個地方看到轉(zhuǎn)換函數(shù)，而不必再去查看其他的地方了。

總 結(jié)

將所有的內(nèi)容組合在一起，就形成了如下的代碼：

#include 
#include 
#include 
#include 
int main()
{
    std::vector<int> sums(18);
    std::iota(sums.begin(), sums.end(), 1);
    std::partial_sum(sums.begin(), sums.end(), sums.begin());
    std::vector<char> odd_or_even;
    std::transform(sums,
        std::back_inserter(odd_or_even),
        [](int i) { return i%2? '.':'*'; });
    for (auto c : odd_or_even)
    {
        std::cout << c << ' ';
    }
    std::cout << '
';
}

我們使用了 ranges、lambda 和基于 range 的 for 循環(huán)，瀏覽了移動語義，并練習(xí)了對 vector 的使用。對于首次重回 C++ 的人來說，這是一個不錯的起點！

你可以在編譯器探索器中嘗試上述的代碼。

Frances Buontempo，Frances Buontempo 有多年的 C++ 經(jīng)驗，還有過使用 Python 和其他各種語言的經(jīng)驗。她曾發(fā)表過關(guān)于 C++ 的演講，并且是 ACCU 的 Overload 雜志的編輯。她有數(shù)學(xué)背景，為 PragProg 寫了一本關(guān)于遺傳算法和機器學(xué)習(xí)的書，并且正在為 Manning 寫一本名為 C++ Bookcamp 的 C++ 書，以幫助那些被現(xiàn)代 C++ 落下的人迎頭趕上。