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C++ decltype（类型推导）精讲

学习了《C++ auto》一节我们应该知道，auto 用于通过一个表达式在编译时确定待定义的变量类型，auto 所修饰的变量必须被初始化，编译器需要通过初始化来确定 auto 所代表的类型，即必须要定义变量。若仅希望得到类型，而不需要（或不能）定义变量的时候应该怎么办呢？

C++11 新增了 decltype 关键字，用来在编译时推导出一个表达式的类型。它的语法格式如下：

decltype(exp)

其中，exp 表示一个表达式（expression）。

从格式上来看，decltype 很像 sizeof ——用来推导表达式类型大小的操作符。类似于 sizeof，decltype 的推导过程是在编译期完成的，并且不会真正计算表达式的值。

那么怎样使用 decltype 来得到表达式的类型呢？让我们来看一组例子： 
int x = 0;
decltype(x) y = 1;           // y -> int
decltype(x + y) z = 0;       // z -> int
const int& i = x;
decltype(i) j = y;           // j -> const int &
const decltype(z) * p = &z;  // *p  -> const int, p  -> const int *
decltype(z) * pi = &z;       // *pi -> int      , pi -> int *
decltype(pi)* pp = π      // *pp -> int *    , pp -> int * *
对代码的说明：
1) y 和 z 的结果表明 decltype 可以根据表达式直接推导出它的类型本身。这个功能和上一节的 auto 很像，但又有所不同。auto 只能根据变量的初始化表达式推导出变量应该具有的类型。若想要通过某个表达式得到类型，但不希望新变量和这个表达式具有同样的值，此时 auto 就显得不适用了。

2) j 的结果表明 decltype 通过表达式得到的类型，可以保留住表达式的引用及 const 限定符。实际上，对于一般的标记符表达式（id-expression），decltype 将精确地推导出表达式定义本身的类型，不会像 auto 那样在某些情况下舍弃掉引用和 cv 限定符。

3) p、pi 的结果表明 decltype 可以像 auto 一样，加上引用和指针，以及 cv 限定符。

4) pp 的推导则表明，当表达式是一个指针的时候，decltype 仍然推导出表达式的实际类型（指针类型），之后结合 pp 定义时的指针标记，得到的 pp 是一个二维指针类型。这也是和 auto 推导不同的一点。

对于 decltype 和引用（&）结合的推导结果，与 C++11 中新增的引用折叠规则（Reference Collapsing）有关，因此，留到后面右值引用（Rvalue Reference）一节再详细讲解。

扩展阅读

关于 p、pi、pp 的推导，有个很有意思的地方。像 Microsoft Visual Studio 这样的 IDE，可以在运行时观察每个变量的类型。我们可以看到 p 的显示是这样的：

这其实是 C/C++ 的一个违反常理的地方：指针（*）、引用（&）属于说明符（declarators），在定义的时候，是和变量名，而不是类型标识符（type-specifiers）相结合的。

因此，const decltype（z）*p推导出来的其实是 *p 的类型（const int），然后再进一步运算出 p 的类型。

decltype 的推导规则

从前面的内容来看，decltype 的使用是比较简单的。但在简单的使用方法之后，也隐藏了不少细节。

我们先来看看 decltype(exp) 的推导规则：
  • 推导规则1，exp 是标识符、类访问表达式，decltype(exp) 和 exp 的类型一致。
  • 推导规则2，exp 是函数调用，decltype(exp) 和返回值的类型一致。
  • 推导规则3，其他情况，若 exp 是一个左值，则 decltype(exp) 是 exp 类型的左值引用，否则和 exp 类型一致。
关于推导规则，有很多种版本：
C++ 标准：ISO/IEC 14882:2011，7.1.6.2 Simple type specif iers，第4 款
MSDN：decltype Type Specif ier，http://msdn.microsoft.com/en-us/library/dd537655.aspx
维基百科：decltype，http://en.wikipedia.org/wiki/Decltype

虽然描述不同，但其实是等价的。为了方便理解，这里选取了 MSDN 的版本。
只看上面的推导规则，很难理解decltype(exp) 到底是一个什么类型。为了更好地讲解这些规则的适用场景，下面根据上面的规则分3种情况依次讨论：
  • 标识符表达式和类访问表达式。
  • 函数调用（非标识符表达式，也非类访问表达式）。
  • 带括号的表达式和加法运算表达式（其他情况）。

1) 标识符表达式和类访问表达式

先看第一种情况，下面的代码是一组简单的例子。

【实例】decltype 作用于标识符和类访问表达式示例。 
class Foo
{
    public:
    static const int Number = 0;
    int x;
};
int n = 0;
volatile const int & x = n;
decltype(n) a = n;            // a -> int
decltype(x) b = n;            // b -> const volatile int &
decltype(Foo::Number) c = 0;  // c -> const int
Foo foo;
decltype(foo.x) d = 0;        // d -> int，类访问表达式
变量 a、b、c 保留了表达式的所有属性（cv、引用）。这里的结果是很简单的，按照推导规则1，对于标识符表达式而言，decltype 的推导结果就和这个变量的类型定义一致。

d 是一个类访问表达式，因此也符合推导规则1。

2) 函数调用

接下来，考虑第二种情况：如果表达式是一个函数调用（不符合推导规则1），结果会如何呢？请看下面的代码。

【实例】decltype 作用于函数调用的示例。 
int& func_int_r(void);           // 左值（lvalue，可简单理解为可寻址值）
int&& func_int_rr(void);         // x值（xvalue，右值引用本身是一个xvalue）
int func_int(void);              // 纯右值（prvalue，将在后面的章节中讲解）
const int& func_cint_r(void);    // 左值
const int&& func_cint_rr(void);  // x值
const int func_cint(void);       // 纯右值
const Foo func_cfoo(void);       // 纯右值
// 下面是测试语句
int x = 0;
decltype(func_int_r())   a1 = x;      // a1 -> int &
decltype(func_int_rr())  b1 = 0;      // b1 -> int &&
decltype(func_int())     c1 = 0;      // c1 -> int
decltype(func_cint_r())  a2 = x;      // a2 -> const int &
decltype(func_cint_rr()) b2 = 0;      // b2 -> const int &&
decltype(func_cint())    c2 = 0;      // c2 -> int
decltype(func_cfoo())    ff = Foo();  // ff -> const Foo
可以看到，按照推导规则2，decltype 的结果和函数的返回值类型保持一致。

这里需要注意的是，c2 是 int 而不是 const int。这是因为函数返回的 int 是一个纯右值（prvalue）。对于纯右值而言，只有类类型可以携带 cv 限定符，此外则一般忽略掉 cv 限定。

如果在 gcc 下编译上面的代码，会得到一个警告信息如下：

warning: type qualif?iers ignored on function return type [-Wignored-qualifiers] cint func_cint(void);

因此，decltype 推导出来的 c2 是一个 int。

作为对比，可以看到 decltype 根据 func_cfoo() 推导出来的 ff 的类型是 const Foo。

3) 带括号的表达式和加法运算表达式

最后，来看看第三种情况： 
struct Foo { int x; };
const Foo foo = Foo();
decltype(foo.x)   a = 0;  // a -> int
decltype((foo.x)) b = a;  // b -> const int &
int n = 0, m = 0;
decltype(n + m) c = 0;    // c -> int
decltype(n += m) d = c;   // d -> int &
a 和 b 的结果：仅仅多加了一对括号，它们得到的类型却是不同的。

a 的结果是很直接的，根据推导规则1，a 的类型就是 foo.x 的定义类型。

b 的结果并不适用于推导规则1和2。根据 foo.x 是一个左值，可知括号表达式也是一个左值。因此可以按照推导规则3，知道 decltype 的结果将是一个左值引用。

foo 的定义是 const Foo，所以 foo.x 是一个 const int 类型左值，因此 decltype 的推导结果是 const int&。

同样，n+m 返回一个右值，按照推导规则3，decltype 的结果为 int。

最后，n+=m 返回一个左值，按照推导规则3，decltype 的结果为 int&。

decltype 的实际应用

decltype 的应用多出现在泛型编程中，请看下面的例子。

【实例】泛型类型定义可能存在问题的示例。 
#include <vector>
template <class ContainerT>
class Foo
{
    typename ContainerT::iterator it_; // 类型定义可能有问题
public:
    void func(ContainerT& container)
    {
        it_ = container.begin();
    }
    // ...
};
int main(void)
{
    typedef const std::vector<int> container_t;
    container_t arr;
    Foo<container_t> foo;
    foo.func(arr);
    return 0;
}
单独看类 Foo 中的 it_ 成员定义，很难看出会有什么错误，但在使用时，若上下文要求传入一个 const 容器类型，编译器马上会弹出一大堆错误信息。

原因就在于，ContainerT::iterator 并不能包括所有的迭代器类型，当 ContainerT 是一个 const 类型时，应当使用 const_iterator。

要想解决这个问题，在 C++98/03 下只能想办法把 const 类型的容器用模板特化单独处理，比如增加一个像下面这样的模板特化： 
template <class ContainerT>
class Foo<const ContainerT>
{
    typename ContainerT::const_iterator it_;
public:
    void func(const ContainerT& container)
    {
        it_ = container.begin();
    }
    // ...
};
这实在不能说是一个好的解决办法。若 const 类型的特化只是为了配合迭代器的类型限制，Foo 的其他代码也不得不重新写一次。

有了 decltype 以后，就可以直接这样写： 
template <class ContainerT>
class Foo
{
    decltype(ContainerT().begin()) it_;
public:
    void func(ContainerT& container)
    {
        it_ = container.begin();
    }
    // ...
};
是不是舒服很多了？

decltype 也经常用在通过变量表达式抽取变量类型上，如下面的这种用法： 
vector<int> v;
// ...
decltype(v)::value_type i = 0;
在冗长的代码中，人们往往只会关心变量本身，而并不关心它的具体类型。比如在上例中，只要知道v是一个容器就够了（可以提取 value_type），后面的所有算法内容只需要出现 v，而不需要出现像vector<int> 这种精确的类型名称。这对理解一些变量类型复杂但操作统一的代码片段有很大好处。

实际上，标准库中有些类型都是通过 decltype 来定义的： 
typedef decltype(nullptr) nullptr_t;  //通过编译器关键字nullptr定义类型nullptr_t
typedef decltype(sizeof(0)) size_t;
这种定义方法的好处是，从类型的定义过程上就可以看出来这个类型的含义。