引子

在編程過程中，有時我們需要根據(jù)表達式的類型來聲明變量，尤其是在涉及模板編程和泛型編程時，經(jīng)常會遇到這樣的問題：(1)、有些泛型類型由模板參數(shù)決定，但是卻很難或根本無法表示；(2)、需要在編譯時確定變量的類型。

除此之外，我們知道auto在自動類型推導(dǎo)時，會忽略類型的修飾符。如此會導(dǎo)致auto推導(dǎo)的類型會與原表達式的類型存在不一致問題。

為了更好的解決這些問題，從C++11標(biāo)準(zhǔn)開始，C++引入了decltype關(guān)鍵字，其作用是讓編譯器在編譯時識別表達式的類型，方便的的進行類型推導(dǎo)，同時也解決泛型編程和模板編程中變量類型表示的問題。

標(biāo)準(zhǔn)演進

decltype是declare type的縮寫。C++11標(biāo)準(zhǔn)引入了decltype的核心功能和推導(dǎo)規(guī)則，C++11以后的各標(biāo)準(zhǔn)都本別對C++11自定的規(guī)則進行擴容和改進。具體演進過程如下所示：

• C++11：引入關(guān)鍵字，并引入decltype的核心功能，用于根據(jù)表達式推導(dǎo)出變量的類型；
• C++14：引入兩個重要改進
• 引入decltype(auto)語法，此語法可用于函數(shù)返回值類型的推導(dǎo)。基于decltype(auto)語法，函數(shù)的返回值類型可通過函數(shù)體的返回值表達式來推導(dǎo)，從而簡化函數(shù)返回值類型的聲明。
• 放寬了對不完整類型的限制：在 C++11 中，如果 decltype 推導(dǎo)的表達式結(jié)果是一個不完整類型，那么會導(dǎo)致編譯錯誤。而在 C++14 中，對不完整類型的處理更加寬松，允許使用decltype 推導(dǎo)不完整類型的變量。
• C++17：decltype(atuo)支持非類型模板形參占位符。

C++11

引入關(guān)鍵字，并引入decltype的核心功能，用于根據(jù)表達式推導(dǎo)出變量的類型；當(dāng)使用decltype(e) 推導(dǎo)表達式 e(類型為T)的類型時，C++11標(biāo)準(zhǔn)定義decltype的推導(dǎo)規(guī)則如下：

• 如果是一個未加括號的標(biāo)識符表達式或類成員訪問，那么decltype(e)的推導(dǎo)結(jié)果為e類型T；假如不存在這樣的實體或e是一組重載函數(shù)，那么decltype(e)無法推導(dǎo)。而且推導(dǎo)過程const/volatile 限定符會被忽略；
• 如果e是一個可調(diào)用對象，那么decltype(e)推導(dǎo)為可調(diào)用對象返回值的類型；
• 如果e是一個左值，decltype(e)推導(dǎo)為T&。const/volatile 限定符不能忽略；
• 如果e是一個將亡值，decltype(e)推導(dǎo)為T&&，const/volatile 限定符不可忽略；
• 如decltype(e)無法命中上述4情況，decltype(e)將會推導(dǎo)為e的類型T；

為了讓大家更形象的理解這5條規(guī)則，下面我們通過一些示例來說明這五條推導(dǎo)規(guī)則。

示例 1: 未加括號標(biāo)識符表達式

int x = 42;
decltype(x) y; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int，滿足第1條規(guī)則

示例 2: 加括號的標(biāo)識符表達式

int x = 42;
decltype((x)) y = x; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int&，滿足第三條規(guī)則

示例3：未加括號的類成員訪問

struct MyClass {
    int member;
};
const MyClass obj;
decltype(obj.member) result = obj.member; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int, 忽略const/volatile 限定符，滿足第1條規(guī)則

示例4：加括號的類成員訪問

struct MyClass {
    int member;
};
const MyClass obj;
decltype((bj.member)) result = obj.member; // 推導(dǎo)結(jié)果是 const int&, const/volatile 限定符不能忽略，滿足第3條規(guī)則

示例 5: 可調(diào)用對象表達式

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
decltype(add(1, 2)) result; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int，滿足第2條規(guī)則

示例 6: 將亡值

int x = 42;
decltype(std::move(x)) result = std::move(x); // 推導(dǎo)結(jié)果為int&&,std::move(x) 為將亡值

示例 7: 右值表達式

int x = 42;
decltype(x + 1) result; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int（右值表達式 x + 1 的類型是 int）

示例8：右值引用變量

int&& i = 500;
decltype(i) x2;           // x2的類型是int&&，滿足第5條

C++14

C++14主要引進了兩個重要改進，他們分別是：放寬對不完整類型的限制；引入decltype(auto)語法。

放寬對不完整類型的限制

C++11標(biāo)準(zhǔn)要求decltype在使用時，推導(dǎo)的表達式必須是完整類型。如果decltype推導(dǎo)的表達式是一個不完整類型，例如某個類的聲明但尚未定義，那么會導(dǎo)致編譯錯誤。C++14對這個限制進行了放寬，允許使用decltype推導(dǎo)不完整類型的變量。這使得編寫一些特定的模板代碼更加方便，因為在某些情況下，可能需要推導(dǎo)出不完整類型。

但是，雖然C++14放寬了對不完整類型的限制，但仍然要求推導(dǎo)的表達式在使用時必須是可見的，即需要在推導(dǎo)時至少對類型進行了前向聲明。否則，將會導(dǎo)致編譯錯誤。

以下是一個示例，演示如何在泛型編程中使用 decltype 推導(dǎo)不完整類型：

template <typename T>
struct Container
{
    using ValueType = decltype(*std::declval<T>()); // 使用 decltype 推導(dǎo)不完整類型
    // 其他成員和函數(shù)...
};
int main()
{
    Container<std::vector<int>> container;
    using ValueType = typename decltype(container)::ValueType; // 推導(dǎo)結(jié)果為 int&
    return 0;
}

decltype(auto)

除了放寬對不完整類型的限制，C++14還有一個特色就是decltype(auto)。decltype(auto)作用是告訴編譯器auto的推導(dǎo)規(guī)則遵循decltype而非auto。不過有一點需要注意就是decltype(auto)必須單獨聲明，不能與其他相結(jié)合。所以下述聲明是不合法的：decltype(auto)*，const decltype(auto), volatile decltype(auto)。

decltype(auto) 的推導(dǎo)規(guī)則如下：

• 如果初始化表達式是一個標(biāo)識符表達式，那么decltype(auto)推導(dǎo)為表達式的類型（const/volatile 限定符和引用修飾符不能忽略）；
• 如果初始化表達式是一個函數(shù)調(diào)用表達式，那么decltype(auto)推導(dǎo)為函數(shù)調(diào)用表達式的返回類型；
• 如果初始化表達式是一個左值表達式（如變量名、數(shù)組名、成員訪問等），那么decltype(auto)推導(dǎo)為對應(yīng)左值類型的引用類型（const/volatile 限定符和引用修飾符不能忽略）。
• 如果初始化表達式是一個右值表達式（如字面值、臨時對象、表達式的結(jié)果等），那么decltype(auto)推導(dǎo)為對應(yīng)右值的類型（const/volatile 限定符和引用修飾符不能忽略）。
• 如果初始化表達式是一個將亡值（如移動賦值），那么decltype(auto)推導(dǎo)為對應(yīng)類型的右值引用

示例 1：標(biāo)識符表達式

int x = 42;
decltype(auto) y = x; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int（x 的類型）

示例 2：函數(shù)調(diào)用表達式

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}
decltype(auto) result = add(1, 2); // 推導(dǎo)結(jié)果是 int（add 函數(shù)返回類型）

示例 3：左值表達式

const int x = 42;
decltype(auto) ref = (x); // 推導(dǎo)結(jié)果是 const int&（x 的引用類型）

示例4：右值表達式

decltype(auto) x2 = 50; // 推導(dǎo)結(jié)果是 int

示例4：將亡值

int x2 = 50;
decltype(auto) x3 = std::move(x2); // 推導(dǎo)結(jié)果為int&&

除了變量類型推導(dǎo)以外，在C++14中引入了decltype(auto)作為一種返回類型的語法。它用于在函數(shù)聲明中指定返回類型，該返回類型將從函數(shù)體中的表達式推導(dǎo)而來。

為了更好的理解decltype(auto)作為一種返回類型的語法，我們參考下面三種函數(shù)返回類型自動推導(dǎo)定義方式。

第一種： C++14 基于auto新特性返回值類型自動推導(dǎo)

template<typename Container, typename Index>
auto accessOrUpdate(Container& c, Index i) { 
  return c[i];  // 返回類推導(dǎo)為c[i]的類型，而且會異常引用限制      
}
std::vector<int> v{1,2,3,4,5};
accessOrUpdate(v,2) = 10;      // 編譯錯誤，不允許賦值

第二種：C++14 基于auto和decltype實現(xiàn)返回值類型推導(dǎo)

template <typename Container, typename Index>
auto accessOrUpdate(Container &c, Index i) -> decltype(c[i]) {
  return c[i];
}
std::vector<int> v{1,2,3,4,5};
accessOrUpdate(v,2) = 10;

第三種：C++14 decltype(auto)實現(xiàn)返回值類型推導(dǎo)

template <typename Container, typename Index>
decltype(auto) accessOrUpdate(Container &c, Index i) {
  return c[i];
}
std::vector<int> v{1,2,3,4,5};
accessOrUpdate(v,2) = 10;

對比上述三種函數(shù)返回值類型推導(dǎo)，decltype(auto)可讓編譯器根據(jù)表達式的類型自動推導(dǎo)函數(shù)的返回類型，而不需要顯式地指定返回類型。這種方式可簡化代碼，而且推導(dǎo)更加靈活。

C++17

為與auto交相輝映，C++17開始支持decltype(auto)非類型模板。但是需特別注意的是在C++17標(biāo)準(zhǔn)中，非類型模板參數(shù)類型必須是整理類型（int, short, long等），枚舉類型，指針類型，左值引用類型和std::nullptr_t，而自定義類型，浮點數(shù)和字符串則不允許作非類型模板參數(shù)。

template<decltype(auto) n>  // C++17 decltype(auto)形參聲明
auto f() -> std::pair<decltype(n), decltype(n)> // auto 不能從花括號初始化器列表推導(dǎo)
{
    return {n, n};
}
f<5>();      // n為int
f<(5)>();    // n為int&
f<'a'>();    // n為char
f<('a')>();  // n為char&
f<1.0>();    // 編譯失敗double不能作為模板參數(shù)，double不允許做非類型模板參數(shù)。

C++20允許字面量類類型作為非類型模板參數(shù)。例如在C++20之前，下述代碼無法編譯通過，而在C++20中則可以編譯通過。

class A {};
template <A a>
class B {};
A a;
B<a> b;  // C++20 前編譯失敗，C++20 可以編譯成功。

總結(jié)

本文從泛型編程中經(jīng)常會遇到2個常見問題入手，循序漸進的分析了從C++11開始引入的關(guān)鍵字decltype，希望本文可以對大家有所幫助。

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