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C++11之后的decltype类型指示符详解

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一、什么是decltype类型指示符

有时会遇到这种情况：希望从表达式的类型推断出要定义的变量的类型，但是不想用该表达式的值初始化变量。为了满足这一要求，C++11 新标准引入了另一种类型说明符 decltype ，它的作用是选择并返回操作数的数据类型。在此过程中，编译器分析表达式并得到它的类型，却并不实际计算表达式的值。

decltype(f()) sum = x;  // sum 的类型就是函数f的返回类型

编译器并不实际调用函数f，而是使用当调用发生时f的返回值类型作为sum的类型。换句话说，编译器为sum指定的类型是什么呢？就是假如f被调用的话将会返回的那个类型。

二、typeid运算符

C++标准提供了一个typeid运算符来获取与目标操作数类型有关的信息。获取的类型信息会包含在一个类型为std::type_info的对象里。我们可以调用成员函数name获取其类型名，例如：

#include <iostream>

using namespace std;

template<class T1, class T2>
auto sum(T1 t1, T2 t2) -> decltype(t1 + t2)
{
    return t1 + t2;
}

int main()
{
    auto s1 = sum(2, 3);
    cout << "sum(2, 3)=" << s1 << endl;
    cout << "s1 type: " << typeid(s1).name() << endl;

    auto s2 = sum(2.0, 3.0);
    cout << "sum(2.0, 3.0)=" << s2 << endl;
    cout << "s2 type: " << typeid(s2).name() << endl;

    return 0;
}

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值得注意的是，成员函数name返回的类型名在C++标准中并没有明确的规范，所以输出的类型名会因编译器而异。比如，MSVC会输出一个符合程序员阅读习惯的名称，而GCC则会输出一个它自定义的名称。

另外，还有3点也需要注意。

  1. typeid的返回值是一个左值，且其生命周期一直被扩展到程序生命周期结束。
  2. typeid返回的std::type_info删除了复制构造函数，若想

保存std::type_info，只能获取其引用或者指针，例如：

auto t1 = typeid(int); // 编译失败，没有复制构造函数无法编译
auto &t2 = typeid(int); // 编译成功，t2推导为const std::type_info&
auto t3 = &typeid(int); // 编译成功，t3推导为const std::type_info*

3.typeid的返回值总是忽略类型的 cv 限定符，也就是

typeid(const T)== typeid(T))

gcc的扩展中还提供了一个名为typeof的运算符，它可以在编译期就获取操作数的具体类型，但typeof并不是C++ 标准。typeid可以获取类型信息并帮助我们判断类型之间的关系，但遗憾的是，它并不能像typeof那样在编译期就确定对象类型。

三、使用decltype指示符

常规用法如下：

int x1 = 0;
decltype(x1) x2 = 0;
std::cout << typeid(x2).name() << std::endl; // x2的类型为int

double x3 = 0;
decltype(x1 + x3) x4 = x1 + x3;
std::cout << typeid(x4).name() << std::endl; // x1+x3的类型为double

decltype({1, 2}) x5; // 编译失败，{1, 2}不是表达式

形参列表中也可以使用：

int x1 = 0;
decltype(x1) sum(decltype(x1) a1, decltype(a1) a2)
{
    return a1 + a2;
}
auto x2 = sum(5, 10);

decltype在尾置返回类型时有着很大用处，例如：

template<class T1, class T2>
auto sum(T1 t1, T2 t2) -> decltype(t1 + t2)
{
    return t1 + t2;
}

需要说明的是，上述用法只推荐在C++11标准的编译环境中使用，因为C++14标准已经支持对auto声明的返回类型进行推导了，所以以上代码可以简化为：

#include <iostream>

using namespace std;

template<class T1, class T2>
auto sum(T1 t1, T2 t2)
{
    return t1 + t2;
}

int main()
{
    auto res = sum(1, 2.0);
    cout << "res=" << res << endl;
    cout << "res type: " << typeid(res).name() << endl;

    return 0;
}

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那既然在C++14 标准中decltype的作用又被auto代替了，是否从C++14标准以后decltype就没有用武之地了呢？并不是这样的，auto作为返回类型的占位符还存在一些问题，请看下面的例子：

template<class T>
auto return_ref(T& t)
{
    return t;
}

int x = 0;
cout << "x is reference value: " << std::is_reference_v<decltype(return_ref(x))> << endl;

在上面的代码中，我们期望return_ref返回的是一个T的引用类型，但是如果编译此段代码，会发现auto被推导为值类型。如果想正确地返回引用类型，则需要用到decltype说明符，例如：

template<class T>
auto return_ref(T& t) -> decltype(t)
{
    return t;
}

以上两段代码几乎相同，只是在return_ref函数的尾部用decltype(t)声明了返回类型。

当然了，还有一种方法也可以，使用 auto& ：

template<class T>
auto& return_ref1(T& t)
{
    return t;
}

四、decltype和引用

如果 decltype 使用的表达式不是一个变量，则 decltype 返回表达式结果对应的类型。有些表达式将向 decltype 返回一个引用类型。一般当这种情况发生时，意味着该表达式的结果对象能作为一条赋值语句的左值：

int i = 42, *p = &i, &r = i;
decltype(r + 0) b;  // 正确，加法的结果是int，因此b是一个（未初始化的）int
decltype(*p) c;     // 错误，c是int&， 必须初始化

如果表达式的内容是解引用操作，则decltype将得到引用类型，所以decltype(*p)的结果类型是int&，而非int。

decltype 和 auto 的重要区别是，decltype 的结果类型与表达式形式密切相关。有一种情况需要特别注意：对于 decltype 来说，如果变量名加上了一对括号，则得到的类型与不加括号时会有所不同。不加括号的话，得到的结果就是该变量的类型。如果给变量加上了一层或多层括号，编译器就会把它当成是一个表达式。变量是一种可以作为赋值语句左值的特殊表达式，所以这样的decltype就会得到引用类型：

decltype((i)) d;    // 错误，d是int&，必须初始化
decltype(i) e;      // 正确，e是一个未初始化的int

总结就是：

五、decltype(auto)

在 C++14 标准中出现了 decltype 和 auto 两个关键字的结合体：decltype(auto)。它的作用简单来说，就是告诉编译器用decltype的推导表达式规则来推导auto。另外需要注意的是，decltype(auto)必须单独声明，也就是它不能结合指针、引用以及cv限定符。

int i;
int&& f();
auto x1a = i; // x1a推导类型为int
decltype(auto) x1d = i; // x1d推导类型为int
auto x2a = (i); // x2a推导类型为int
decltype(auto) x2d = (i); // x2d推导类型为int&
auto x3a = f(); // x3a推导类型为int
decltype(auto) x3d = f(); // x3d推导类型为int&&
auto x4a = { 1, 2 }; // x4a推导类型为
std::initializer_list<int>
decltype(auto) x4d = { 1, 2 }; // 编译失败, {1, 2}不是表达式
auto *x5a = &i; // x5a推导类型为int*
decltype(auto)*x5d = &i; // 编译失败，decltype(auto)必须单独声明

有了decltype(auto)之后，我们又多了一种返回引用的形式：

template<class T>
decltype(auto) return_ref(T& t)
{
    return t;
}

在C++17 标准中，decltype(auto)还能作为非类型模板形参的占位符，例如：

#include <iostream>
template<decltype(auto) N>
void f()
{
    std::cout << N << std::endl;
}

六、本章代码汇总

#include <iostream>

using namespace std;

template<class T1, class T2>
auto sum(T1 t1, T2 t2)
{
    return t1 + t2;
}

template<class T>
auto return_ref(T& t)
{
    return t;
}

template<class T>
auto& return_ref1(T& t)
{
    return t;
}

template<class T>
auto return_ref2(T& t) -> decltype(t)
{
    return t;
}

template<class T>
decltype(auto) return_ref3(T& t)
{
    return t;
}

template<decltype(auto) N>
void f()
{
    cout << N << endl;
}

int main()
{
    auto res = sum(1, 2.0);
    cout << "res=" << res << endl;
    cout << "res type: " << typeid(res).name() << endl;

    int x = 0;
    cout << "x is reference value: " << std::is_reference_v<decltype(return_ref(x))> << endl;
    cout << "x is reference value: " << std::is_reference_v<decltype(return_ref1(x))> << endl;
    cout << "x is reference value: " << std::is_reference_v<decltype(return_ref2(x))> << endl;
    cout << "x is reference value: " << std::is_reference_v<decltype(return_ref3(x))> << endl;

    return 0;
}

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