一、C++11新特性概述

记忆口诀：C++11新特性，语法库扩双提升；auto decltype智能指，nullptr范围循环使；右值引用move效，无序容器正则到；Lambda匿名函数好，代码简洁效率高。

1. 语法改进

  • 统一初始化方法
  • 成员变量默认初始化
  • auto关键字：编译器自动推断类型
  • decltype：推导表达式类型
  • 智能指针：std::shared_ptr、std::unique_ptr
  • 空指针nullptr：替代NULL，类型明确
  • 基于范围的for循环：简化容器遍历
  • 右值引用和move语义：提高资源转移效率

2. 标准库扩充

  • 无序容器（哈希表）：类似map但效率更高
  • 正则表达式：模式匹配字符串
  • Lambda表达式：定义匿名函数

二、智能指针

记忆口诀：智能指针分三类，shared_ptr共享随；引用计数来管理，线程安全要注意；unique_ptr独占权，禁止拷贝所有权；weak_ptr旁观态，lock检查免崩溃。

1. shared_ptr（共享指针）

  • 实现机制：基于引用计数，多指针共享同一资源
  • 核心组件：
    • 模板指针T* ptr：指向实际对象
    • 引用计数器：共享引用次数，决定资源释放时机
    • 重载操作符：*、->、=，支持指针操作
  • 线程安全：
    • 多线程读同一shared_ptr安全
    • 多线程写同一shared_ptr不安全
    • 多线程写共享引用计数的不同shared_ptr安全

2. unique_ptr（独占指针）

  • 独占所有权：同一时刻只能有一个unique_ptr指向对象
  • 自动销毁：离开作用域时自动销毁所指对象
  • 禁止拷贝：不支持普通拷贝和赋值操作
  • 所有权转移：可通过release或reset转移所有权

3. weak_ptr（弱引用指针）

  • 配合shared_ptr使用：观测资源使用情况
  • 不增加引用计数：不影响资源的生命周期
  • 检查有效性：使用lock()检查指针是否有效

三、类型推导

记忆口诀：auto编译推类型，必须初始化立即；函数参数成员变，数组模板不能见；decltype表达式，类型保留不执行；两者配合返回值，模板编程更灵活。

1. auto关键字

  • 编译期类型推导：必须立即初始化
  • 多变量声明限制：同一行变量类型推导不能有二义性
  • 使用限制：
    • 不能用作函数参数
    • 不能用作类的非静态成员变量
    • 不能定义数组（可定义指针）
    • 无法推导出模板参数
  • 引用和cv属性处理：
    • 非引用/指针声明：忽略引用和cv属性
    • 引用/指针声明：保留引用和cv属性

2. decltype关键字

  • 表达式类型推导：不执行表达式，仅分析类型
  • 引用和cv属性：保留表达式的引用和cv属性
  • 推导规则：
    • 表达式：与表达式类型相同
    • 函数调用：与函数返回值类型相同
    • 左值表达式：返回左值引用类型

3. auto与decltype配合使用

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

四、右值引用与移动语义

记忆口诀：左值有名可取址，右值无名不可指；将亡值来资源转，移动语义效率显；完美转发std::forward，参数原样不改变；深浅拷贝要分清，移动构造性能升。

1. 左值与右值

  • 左值：可放等号左边，可取地址，有名称
  • 右值：不可放等号左边，不可取地址，无名称
  • 特殊情况：
    • 字符串字面值"abcd"是左值
    • ++i、--i是左值，i++、i--是右值

2. 将亡值

  • 定义：即将销毁的值，可通过"盗取"内存获取
  • 优化作用：避免内存释放和分配，延长值的生命周期
  • 应用场景：完成移动构造或移动赋值操作

3. 引用类型

  • 左值引用：对左值的引用，必须立即初始化
  • 右值引用：对右值的引用，可用std::move强制转换左值

4. 移动语义

  • 本质：资源所有权转移，非拷贝
  • 实现：通过移动构造函数和std::move实现
  • 适用范围：仅对实现了移动构造函数的类有效
  • 浅拷贝与深拷贝：
    • 浅拷贝：指针指向同一块内存
    • 深拷贝：重新分配内存存储资源

5. 完美转发

  • 定义：将函数实参原样转发给其他函数
  • 实现：通过std::forward()函数模板实现

五、范围for循环与列表初始化

记忆口诀：范围循环真方便，变量冒号对象连；列表初始化用花括，信息丢失编译器说；代码简洁又安全，C++11特性添。

1. 范围for循环

  • 语法：for(变量：对象) 表达式
  • 应用场景：
    • 遍历string的每个字符
    • 遍历vector等容器元素

示例：

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std::vector<int> arr(5, 100);
for (auto &i : arr) {
    std::cout << i << std::endl;
}

2. 列表初始化

  • 语法：使用花括号{}进行初始化
  • 安全性：内置类型初始化时，若存在信息丢失风险，编译器报错

示例：

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int x = 0;      // 传统初始化
int x = {0};    // 列表初始化1
int x{0};       // 列表初始化2
int x(0);       // 构造函数初始化

六、Lambda表达式

记忆口诀：Lambda表达式，匿名函数便；方括捕获列表，圆括参数见；返回类型可省略，函数体在花括号间；捕获方式多种选，引用值捕获灵活变；STL算法结合用，代码简洁效率显。

1. 语法结构

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[capture list] (parameter list) -> return type {function body}
// [捕获列表] (参数列表) -> 返回类型 {函数体}
// 必选部分：捕获列表和函数体

2. 变量捕获方式

  • []：不捕获任何变量
  • [&]：引用方式捕获所有变量
  • [=]：值方式捕获所有变量（创建时拷贝）
  • [=, &foo]：引用捕获foo，其他值捕获
  • [&, foo]：值捕获foo，其他引用捕获
  • [bar]：值方式捕获bar，不捕获其他变量
  • [this]：捕获所在类的this指针

3. 可变Lambda

  • 添加mutable关键字：允许修改值捕获的变量

4. STL算法中的应用

  • 优势：简化STL算法中谓词函数的使用
  • 示例：自定义排序规则
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int arr[] = {6, 4, 3, 2, 1, 5};
// Lambda形式降序排序
std::sort(arr, arr + 6, [](const int& a, const int& b){return a > b;});

七、异常处理机制

记忆口诀：异常处理三剑客，try-throw-catch要记牢；try块包裹风险代，throw抛出异常来；catch捕获处理它，类型匹配最重要；标准异常层次清，基类派生各不同；构造析构少抛异，RAII技术资源保；C++没有finally，智能指针来帮忙。

1. 传统错误处理

  • 终止程序：如assert，用户体验差
  • 返回错误码：需要手动查找对应错误

2. C++异常处理关键字

  • try：包裹可能抛出异常的代码块
  • throw：抛出异常，中断当前执行流程
  • catch：捕获并处理异常

3. 异常匹配原则

  • 类型决定匹配：异常类型匹配catch块类型
  • 最近匹配原则：调用链中最近的匹配catch块被执行
  • 对象拷贝：抛出异常时生成异常对象的拷贝
  • catch(...)：捕获任意类型异常，但无法获知具体类型
  • 派生类匹配：可使用基类捕获派生类异常

4. 异常安全

  • 构造函数异常：可能导致对象不完整，析构函数不会被调用
  • 析构函数异常：可能导致资源泄漏
  • 资源管理：使用RAII技术确保资源正确释放

5. 标准库异常体系

  • std::exception：所有标准库异常的基类
  • std::bad_alloc：内存分配失败
  • std::bad_cast：类型转换失败
  • std::logic_error：逻辑错误基类
    • std::invalid_argument：无效参数
    • std::domain_error：参数超出定义域
    • std::length_error：容器长度超限
  • std::runtime_error：运行时错误基类
    • std::overflow_error：数值溢出
    • std::underflow_error：数值下溢
    • std::range_error：数值超出有效范围
  • std::out_of_range：访问容器越界

6. 无finally关键字

  • C++不支持finally关键字
  • 使用RAII技术代替finally功能

八、RAII技术

记忆口诀：RAII技术真是好，资源管理离不了；构造获取资源到，析构自动释放掉；智能指针管内存，文件锁连不用恼；异常发生也不怕，资源泄漏杜绝了。

1. 定义

  • 资源获取即初始化：通过对象生命周期管理资源
  • 目的：确保资源在适当的时机自动释放

2. 应用场景

  • 内存管理：使用智能指针（shared_ptr、unique_ptr）
  • 文件操作：使用文件流对象自动关闭文件
  • 锁管理：使用锁包装器（lock_guard、unique_lock）自动释放锁
  • 网络连接：自定义RAII类管理连接的建立和关闭

九、命名空间

记忆口诀：命名空间划地盘，避免冲突是关键；作用域符双冒号，成员访问要记好；嵌套命名多层包，using指令简化调；匿名空间文件限，内部链接属static。

1. 定义与使用

  • 定义：使用namespace关键字划分作用域
  • 访问：使用作用域解析运算符::访问成员

示例：

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namespace MyNamespace {
    int a = 10;
    void func() {}
}

// 访问方式
MyNamespace::a = 20;
MyNamespace::func();

2. 嵌套命名空间

  • 命名空间可嵌套定义
  • 访问时使用多个作用域解析运算符

3. using指令

  • using namespace 命名空间：直接使用所有成员
  • using 命名空间::成员：只引入特定成员

4. 匿名命名空间

  • 无名称命名空间，成员作用域限制在定义文件内
  • 等价于添加static关键字，具有内部链接属性

十、内联函数

记忆口诀：内联函数inline，编译展开开销减；短小频繁调用好，代码体积可能添；相比宏定义安全，类型检查调试便；编译器优化有选择，长函数可能被忽略。

1. 定义与特点

  • 定义：使用inline关键字声明
  • 编译时展开：将函数调用替换为函数体
  • 减少调用开销：适合短小、频繁调用的函数
  • 增大代码体积：可能增加可执行文件大小

2. 与宏的区别

  • 类型检查：内联函数进行类型检查，宏不检查
  • 作用域：内联函数遵循C++作用域规则，宏作用域到文件结束
  • 调试：内联函数可调试，宏不可调试
  • 安全性：内联函数更安全，避免宏的运算符优先级问题

十一、不可变字符串类实现

记忆口诀：不可变字符串，内容创建不变样；引用计数来管理，拷贝赋值共享享；计数为零资源放，内存管理高效强；禁用拷贝有两法，delete私有各有长。

1. 设计要点

  • 不可变性：创建后内容不可修改
  • 引用计数：高效管理内存，实现复制和赋值

2. 核心功能

  • 构造函数：初始化字符串数据和引用计数
  • 拷贝构造：共享数据，增加引用计数
  • 赋值运算符：减少原引用计数，共享新数据
  • 析构函数：减少引用计数，计数为0时释放资源
  • 辅助方法：length()获取长度，c_str()获取C风格字符串

3. 禁用拷贝功能

  • C++11：使用=delete语法禁用拷贝构造和赋值
  • 早期C++：将拷贝构造和赋值声明为私有成员