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[C++ 11] 列表初始化：轻量级对象initializer_list

C++发展历史

C++11是C++语言的第二个主要版本，也是自C++98以来最重要的一次更新。它引入了大量的新特性，标准化了已有的实践，并极大地改进了C++程序员可用的抽象能力。在2011年8月12日被ISO正式采纳之前，人们一直使用“C++0x”这个名称，因为它原本预计会在2010年之前发布。然而，由于各种原因，直到2011年才最终确定。C++03与C++11之间间隔了8年，这是C++版本发布史上最长的一次。从那时起，C++社区每三年发布一次新标准，保持了更加稳定的更新节奏。

列表初始化

C++11引入了列表初始化（List Initialization），试图统一所有对象的初始化方式，使代码更加简洁和安全。然而，这也带来了一些细节和概念上的区别，可能会引起混淆。该章节将结合具体代码，深入讲解C++11中的列表初始化，与C++98进行对比，更清晰地理解这些概念。

C++98中的初始化方式

在C++98中，数组和聚合类型（如结构体）可以使用大括号{}进行初始化，但基本类型和自定义类对象通常不能直接使用{}初始化，需要使用构造函数或赋值操作。

数组和结构体的初始化

struct Point {
    int _x;
    int _y;
};

int main() {
    // 数组初始化
    int a1[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    int a2[5] = {0}; // 所有元素初始化为0

    // 结构体初始化
    Point p = {1, 2};

    return 0;
}

上述代码中，数组a1和a2，结构体p都使用{}进行初始化，这是C++98所支持的。

基本类型和自定义类的初始化

在C++98中，基本类型的初始化不能使用{}，需要使用赋值或构造函数。

int x = 2; // 赋值初始化

对于自定义类对象，需要定义构造函数，然后使用括号()进行初始化。

class Date {
public:
    Date(int year = 1, int month = 1, int day = 1)
        : _year(year), _month(month), _day(day) {}

private:
    int _year;
    int _month;
    int _day;
};

int main() {
    Date d(2025, 1, 1); // 使用构造函数初始化
    return 0;
}

C++11中的列表初始化

C++11引入了列表初始化，使得几乎所有类型的对象都可以使用{}进行初始化，包括基本类型和自定义类对象。这种统一的初始化方式带来了代码简洁性和安全性的提升。

基本类型的列表初始化

int x1 = {2}; // 列表初始化
int x2 = 2;   // 传统赋值初始化
int x3{2};    // 省略等号的列表初始化
  • 区别：x1和x3使用了列表初始化，x2使用了传统的赋值初始化。
  • 优势：列表初始化可以防止窄化转换。例如，int x = {2.5};会编译错误，防止精度丢失。

自定义类型的列表初始化

Date d1 = {2025, 1, 1};
Date d20(2025, 1, 1);
const Date& d2 = {2024, 7, 25};
Date d3 = {2025};
Date d4 = 2025;
Date d6{2024, 7, 25};
const Date& d7{2024, 7, 25};
  • Date d1 = {2025, 1, 1};：使用列表初始化，按照语义应该是先构造一个临时的Date对象，然后调用拷贝构造函数复制给d1。但是，编译器会进行优化，直接构造d1，避免了拷贝构造。
  • const Date& d2 = {2024, 7, 25};：引用一个临时的Date对象，该对象由列表初始化创建。
  • Date d3 = {2025};：当只有一个参数时，列表初始化也可以使用。
  • Date d4 = 2025;：C++98中允许的隐式类型转换，调用Date(int, int, int)构造函数，剩余参数使用默认值。
  • 省略等号的初始化：Date d6{2024, 7, 25};和const Date& d7{2024, 7, 25};。

结构体的列表初始化

struct Point {
    int _x;
    int _y;
};

int main() {
    Point p1 = {1, 2}; // C++98风格
    Point p2{3, 4};    // C++11，省略等号

    return 0;
}

容器的列表初始化

vector<Date> v;
v.push_back(d1);
v.push_back(Date(2025, 1, 1));
v.push_back({2025, 1, 1}); // 使用列表初始化

vector<int> v1 = {1, 2, 3, 4};
vector<int> v2 = {10, 20, 30, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1};
const vector<int>& v4 = {10, 20, 30, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1};

vector<int> v3({10, 20, 30, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1});
  • v.push_back({2025, 1, 1});：直接使用列表初始化创建一个Date对象，并插入到向量v中。
  • 容器的列表初始化：v1、v2、v4、v3都使用了列表初始化，其中v3显式地调用了构造函数。
std::initializer_list的使用
initializer_list<int> il1 = {10, 20, 30, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1, 1};
  • std::initializer_list是一个轻量级的只读容器，用于保存初始化列表中的元素。
  • 容器类（如vector）的构造函数和赋值运算符都增加了接受std::initializer_list的版本，因此可以直接使用{}进行初始化。
map的列表初始化和插入
map<string, string> dict;
dict.insert({"xxx", "yyyy"}); // 使用列表初始化的 pair

map<string, string> dict2 = {{"xxx", "yyyy"}, {"sort", "zzzz"}};
  • dict.insert({"xxx", "yyyy"});：{"xxx", "yyyy"}会被隐式转换为std::pair<const string, string>，然后插入到dict中。
  • dict2的初始化：直接使用列表初始化，将多个键值对插入到map中。

std::initializer_list原理和作用

C++11引入了std::initializer_list，使得初始化容器和自定义类型的方式更加灵活和简洁。

背景

在C++98中，初始化数组和聚合类型（如结构体）可以使用大括号{}，但对于容器和自定义类的初始化，尤其是当需要传入多个参数时，显得不够方便。例如，要初始化一个std::vector对象并赋予多个初始值，可能需要多次调用push_back，或者手动实现多个构造函数来支持不同数量的参数。

std::vector<int> v;
v.push_back(1);
v.push_back(2);
v.push_back(3);
// 或者手动实现多个构造函数来支持不同数量的参数

为了解决这个问题，C++11引入了std::initializer_list，提供了一种统一的方式来初始化容器和自定义类型。

std::initializer_list的原理

std::initializer_list是C++11标准库中的一个模板类，用于表示由大括号{}括起来的一系列元素。它允许我们使用列表初始化的方式为对象赋值，从而简化代码书写，提高可读性。

#include <initializer_list>

std::initializer_list<int> il = {1, 2, 3};
内部实现

std::initializer_list内部包含了两个指针，分别指向初始化列表中第一个元素和最后一个元素的下一个位置。其实现通常如下：

template <class E>
class initializer_list {
public:
    // 类型定义
    typedef E        value_type;
    typedef const E& reference;
    typedef const E& const_reference;
    typedef size_t   size_type;
    typedef const E* iterator;
    typedef const E* const_iterator;

    // 构造函数
    initializer_list() noexcept : _array(0), _length(0) {}

    // 大小和开始、结束迭代器
    size_t size()  const noexcept { return _length; }
    const E* begin() const noexcept { return _array; }
    const E* end()   const noexcept { return _array + _length; }

private:
    // 私有成员
    const E* _array;
    size_t   _length;
};
  • _array：指向存储元素的数组的指针。
  • _length：表示元素的数量。
特性
  • 只读容器：std::initializer_list是一个轻量级的只读容器，不能修改其中的元素。
  • 自动推导类型：可以通过auto关键字自动推导类型。
  • 范围for循环：支持使用范围for循环遍历元素。

std::initializer_list的作用

初始化容器

C++11中的标准容器（如std::vector、std::list、std::map等）都增加了接受std::initializer_list的构造函数和赋值运算符，使得容器可以方便地使用列表初始化。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>
#include <string>

int main() {
    // 初始化vector
    std::vector<int> v1 = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::vector<int> v2{6, 7, 8, 9, 10}; // 省略等号

    // 初始化map
    std::map<std::string, std::string> dict = {
        {"apple", "苹果"},
        {"banana", "香蕉"}
    };

    // 输出vector内容
    for (auto val : v1) {
        std::cout << val << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 输出map内容
    for (const auto& pair : dict) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

    return 0;
}

运行结果

1 2 3 4 5
apple: 苹果
banana: 香蕉
  • std::vector的列表初始化：通过{}直接传入初始值列表，调用了接受std::initializer_list的构造函数。然后作为initializer_list来构造容器。
  • std::map的列表初始化：使用{}传入键值对的列表，其中每个键值对也是使用{}初始化的std::pair对象，也就相当于initializer_list的嵌套构造。
自定义类型的初始化

除了标准容器，用户自定义的类也可以通过定义接受std::initializer_list的构造函数，来支持列表初始化。

#include <iostream>
#include <initializer_list>

class MyClass {
public:
    MyClass(std::initializer_list<int> il) {
        for (auto it = il.begin(); it != il.end(); ++it) {
            data.push_back(*it);
        }
    }

    void print() const {
        for (auto val : data) {
            std::cout << val << " ";
        }
        std::cout << std::endl;
    }

private:
    std::vector<int> data;
};

int main() {
    MyClass obj = {1, 2, 3, 4, 5};
    obj.print(); // 输出：1 2 3 4 5

    return 0;
}
  • 接受std::initializer_list的构造函数：在自定义类MyClass中，定义了一个构造函数，接受std::initializer_list<int>类型的参数。
  • 使用列表初始化创建对象：在main函数中，直接使用{1, 2, 3, 4, 5}来初始化MyClass对象。
函数参数的初始化

std::initializer_list也可以作为函数的参数，方便地传递一组值。

#include <iostream>
#include <initializer_list>

void printValues(std::initializer_list<int> il) {
    for (auto val : il) {
        std::cout << val << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
}

int main() {
    printValues({10, 20, 30, 40, 50});
    return 0;
}

10 20 30 40 50
  • 函数接受std::initializer_list参数：printValues函数接受一个std::initializer_list<int>类型的参数。
  • 调用函数时传入列表：在调用printValues时，直接传入一个初始化列表{10, 20, 30, 40, 50}，也可以作为构造函数或拷贝构造函数等的实参进行传入。

容器对std::initializer_list的支持

  1. 构造函数

标准容器都增加了接受std::initializer_list的构造函数。例如：

// vector的initializer_list构造函数
std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};

// map的initializer_list构造函数
std::map<std::string, int> m = {{"one", 1}, {"two", 2}};
  1. 赋值运算符

容器的赋值运算符也支持std::initializer_list，可以方便地重置容器的内容。

std::vector<int> v = {1, 2, 3};
v = {4, 5, 6}; // 重新赋值

示例代码：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <map>

int main() {
    // 使用initializer_list初始化vector
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};

    // 使用initializer_list赋值vector
    vec = {6, 7, 8, 9, 10};

    // 输出vector内容
    for (auto val : vec) {
        std::cout << val << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用initializer_list初始化map
    std::map<std::string, int> mp = {{"apple", 1}, {"banana", 2}};

    // 输出map内容
    for (const auto& pair : mp) {
        std::cout << pair.first << ": " << pair.second << std::endl;
    }

    return 0;
}

运行结果：

6 7 8 9 10
apple: 1
banana: 2

悦读

道可道，非常道；名可名，非常名。 无名，天地之始，有名，万物之母。 故常无欲，以观其妙，常有欲，以观其徼。 此两者，同出而异名，同谓之玄，玄之又玄，众妙之门。

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