C17在业务代码中最好用的十个特性

　　作者：jinshang，腾讯WXG后台开发工程师
　　自从步入现代C时代开始，C语言标准形成了三年一个版本的惯例：C11标志着现代C的开端，C14在11的基础上查缺补漏，并未加入许多新特性，而C17作为C11后的第一个大版本，标志着现代C逐渐走向成熟。WXG编译器升级到gcc7。5已有一段时间，笔者所在项目组也已经将全部代码升级到C17。在使用了c17一年多之后，笔者总结了C17在业务代码中最好用的十个特性。
　　注1：本文只包含wxg的gcc7。5支持的特性，ExecutionPolicy，FileSystem等暂不支持的特性不包含在内。
　　注2：本文只包含应用于业务逻辑的特性，FoldExpression，MathematicalSpecialFunctions等适用于元编程和科学计算的特性并不包含。
　　笔者将这些特性大体上分为三类：语法糖、性能提升和类型系统语法糖
　　这里所说的语法糖，并不是严格意义上编程语言级别的语法糖，还包括一些能让代码更简洁更具有可读性的函数和库：结构化绑定
　　c17最便利的语法糖当属结构化绑定。结构化绑定是指将array、tuple或struct的成员绑定到一组变量上的语法，最常用的场景是在遍历mapunorderedmap时不用再声明一个中间变量了：prec17for（constautokv：map）｛constautokeykv。first；constautovaluekv。second；。。。｝c17for（constauto〔key，value〕：map）｛。。。｝
　　严格来说，结构化绑定的结果并不是变量，c标准称之为名字别名，这也导致它们不允许被lambda捕获，但是gcc并没有遵循c标准，所以以下代码在gcc可以编译，clang则编译不过for（constauto〔key，value〕：map）｛〔key，value〕｛std：：coutkey：valuestd：：endl；｝（）；｝
　　在clang环境下，可以在lambda表达式捕获时显式引入一个引用变量通过编译for（constauto〔key，value〕：map）｛〔keykey，valuevalue〕｛std：：coutkey：valuestd：：endl；｝（）；｝
　　另外这条限制在c20中已经被删除，所以在c20标准中gcc和clang都可以捕获结构化绑定的对象了。std：：tuple的隐式推导
　　在c17以前，构造std：：pairstd：：tuple时必须指定数据类型或使用std：：makepairstd：：maketuple函数，c17为std：：pairstd：：tuple新增了推导规则，可以不再显示指定类型。prec17std：：pairint，std：：stringp1｛3。14，pis｝；autop1std：：makepair（3。14，pis）；c17std：：pairp3｛3。14，pis｝；ifconstexpr
　　ifconstexpr语句是编译期的if判断语句，在C17以前做编译期的条件判断往往通过复杂SFINAE机制或模版重载实现，甚至嫌麻烦的时候直接放到运行时用if判断，造成性能损耗，ifconstexpr大大缓解了这个问题。比如我想实现一个函数将不同类型的输入转化为字符串，在c17之前需要写三个函数去实现，而c17只需要一个函数。prec17templatetypenameTstd：：stringconvert（Tinput）｛returnstd：：tostring（input）；｝constchar和string进行特殊处理std：：stringconvert（constcharinput）｛returninput；｝std：：stringconvert（std：：stringinput）｛returninput；｝c17templatetypenameTstd：：stringconvert（Tinput）｛ifconstexpr（std：：issamevT，constcharstd：：issamevT，std：：string）｛returninput；｝else｛returnstd：：tostring（input）；｝｝if初始化语句
　　c17支持在if的判断语句之前增加一个初始化语句，将仅用于if语句内部的变量声明在if内，有助于提升代码的可读性。且对于lockiterator等涉及并发RAII的类型更容易保证程序的正确性。c17std：：mapint，std：：stringm；std：：mutexmx；externboolsharedflag；guardedbymxintdemo（）｛if（autoitm。find（10）；it！m。end（））｛returnitsecond。size（）；｝if（charbuf〔10〕；std：：fgets（buf，10，stdin））｛m〔0〕buf；｝if（std：：lockguardlock（mx）；sharedflag）｛unsafeping（）；sharedflagfalse；｝if（ints；intcountReadBytesWithSignal（s））｛publish（count）；raise（s）；｝if（constautokeywords｛if，for，while｝；std：：ranges：：anyof（keywords，〔tok〕（constcharkw）｛returntokkw；｝））｛std：：cerrTokenmustnotbeakeyword；｝｝性能提升std：：sharedmutex
　　sharedmutex是c的原生读写锁实现，有共享和独占两种锁模式，适用于并发高的读场景下，通过reader之前共享锁来提升性能。在c17之前，只能自己通过独占锁和条件变量自己实现读写锁或使用c14加入的性能较差的std：：sharedtimedmutex。以下是通过sharedmutex实现的线程安全计数器：c17classThreadSafeCounter｛public：ThreadSafeCounter（）default；Multiplethreadsreaderscanreadthecountersvalueatthesametime。unsignedintget（）const｛std：：sharedlocklock（mutex）；returnvalue；｝Onlyonethreadwritercanincrementwritethecountersvalue。unsignedintincrement（）｛std：：uniquelocklock（mutex）；returnvalue；｝Onlyonethreadwritercanresetwritethecountersvalue。voidreset（）｛std：：uniquelocklock（mutex）；value0；｝private：mutablestd：：sharedmutexmutex；unsignedintvalue0；｝；std：：stringview
　　std：：stringview顾名思义是字符串的视图，类成员变量包含两个部分：字符串指针和字符串长度，std：：stringview涵盖了std：：string的所有只读接口。std：：stringview对字符串不具有所有权，且兼容std：：string和constchar两种类型。
　　c17之前，我们处理只读字符串往往使用conststd：：string，std：：string有两点性能优势：兼容两种字符串类型，减少类型转换和内存分配。如果传入的是明文字符串constchar，conststd：：string需要进行一次内存分配，将字符串拷贝到堆上，而std：：stringview则可以避免。在处理子串时，std：：string：：substr也需要进行拷贝和分配内存，而std：：stringview：：substr则不需要，在处理大文件解析时，性能优势非常明显。fromhttps：stackoverflow。coma40129046author：PavelDavydovstringview的removeprefix比conststd：：string的快了15倍stringremoveprefix（conststringstr）｛returnstr。substr（3）；｝stringviewremoveprefix（stringviewstr）｛str。removeprefix（3）；returnstr；｝staticvoidBMremoveprefixstring（benchmark：：Statestate）｛std：：stringexample｛asfaghdfgsghasfasg3423rfgasdg｝；while（state。KeepRunning（））｛autoresremoveprefix（example）；autoresremoveprefix（stringview（example））；forstringviewif（res！aghdfgsghasfasg3423rfgasdg）｛throwstd：：runtimeerror（badop）；｝｝｝std：：mapunorderedmaptryemplace
　　在向std：：mapunorderedmap中插入元素时，我们往往使用emplace，emplace的操作是如果元素key不存在，则插入该元素，否则不插入。但是在元素已存在时，emplace仍会构造一次待插入的元素，在判断不需要插入后，立即将该元素析构，因此进行了一次多余构造和析构操作。c17加入了tryemplace，避免了这个问题。同时tryemplace在参数列表中将key和value分开，因此进行原地构造的语法比emplace更加简洁std：：mapstd：：string，std：：stringm；emplace的原地构造需要使用std：：piecewiseconstruct，因为是直接插入std：：pairkey，valuem。emplace（std：：piecewiseconstruct，std：：forwardastuple（c），std：：forwardastuple（10，c））；tryemplace可以直接原地构造，因为参数列表中key和value是分开的m。tryemplace（c，10，c）
　　同时，c17还给std：：mapunorderedmap加入了insertorassign函数，可以更方便地实现插入或修改语义类型系统
　　c17进一步完备了c的类型系统，终于加入了众望所归的类型擦除容器（TypeErasure）和代数数据类型（AlgebraicDataType）std：：any
　　std：：any是一个可以存储任何可拷贝类型的容器，C语言中通常使用void实现类似的功能，与void相比，std：：any具有两点优势：std：：any更安全：在类型T被转换成void时，T的类型信息就已经丢失了，在转换回具体类型时程序无法判断当前的void的类型是否真的是T，容易带来安全隐患。而std：：any会存储类型信息，std：：anycast是一个安全的类型转换。std：：any管理了对象的生命周期，在std：：any析构时，会将存储的对象析构，而void则需要手动管理内存。
　　std：：any应当很少是程序员的第一选择，在已知类型的情况下，std：：optional，std：：variant和继承都是比它更高效、更合理的选择。只有当对类型完全未知的情况下，才应当使用std：：any，比如动态类型文本的解析或者业务逻辑的中间层信息传递。std：：optional
　　std：：optional代表一个可能存在的T值，对应Haskell中的Maybe和RustOCaml中的option，实际上是一种SumType。常用于可能失败的函数的返回值中，比如工厂函数。在C17之前，往往使用T作为返回值，如果为nullptr则代表函数失败，否则T指向了真正的返回值。但是这种写法模糊了所有权，函数的调用方无法确定是否应该接管T的内存管理，而且T可能为空的假设，如果忘记检查则会有SegFault的风险。prec17ReturnTypefunc（conststd：：stringin）｛ReturnTyperetnewReturnType；if（in。size（）0）returnnullptr；。。。returnret；｝c17更安全和直观std：：optionalReturnTypefunc（conststringin）｛ReturnTyperet；if（in。size（）0）returnnullopt；。。。returnret；｝std：：variant
　　std：：variantT，U，。。。代表一个多类型的容器，容器中的值是制定类型的一种，是通用的SumType，对应Rust的enum。是一种类型安全的union，所以也叫做taggedunion。与union相比有两点优势：可以存储复杂类型，而union只能直接存储基础的POD类型，对于如std：：vector和std：：string就等复杂类型则需要用户手动管理内存。类型安全，variant存储了内部的类型信息，所以可以进行安全的类型转换，c17之前往往通过unionenum来实现相同功能。
　　通过使用std：：variantT，Err，用户可以实现类似Rust的std：：result，即在函数执行成功时返回结果，在失败时返回错误信息，上文的例子则可以改成：std：：variantReturnType，Errfunc（conststringin）｛ReturnTyperet；if（in。size（）0）returnErr｛inputisempty｝；。。。return｛ret｝；｝
　　需要注意的是，c17只提供了一个库级别的variant实现，没有对应的模式匹配（PatternMatching）机制，而最接近的std：：visit又缺少编译器的优化支持，所以在c17中std：：variant并不好用，跟Rust和函数式语言中出神入化的SumType还相去甚远，但是已经有许多围绕std：：variant的提案被提交给c委员会探讨，包括模式匹配，std：：expected等等。
　　总结一下，c17新增的三种类型给c带来了更现代更安全的类型系统，它们对应的使用场景是：std：：any适用于之前使用void作为通用类型的场景。std：：optional适用于之前使用nullptr代表失败状态的场景。std：：variant适用于之前使用union的场景。总结
　　以上是笔者在生产环境中最常用的c17特性，除了本文描述的十个特性外，c17还添加了如lambda值捕获this，钳夹函数std：：clamp（），强制检查返回值〔〔nodiscard〕〕等非常易用的特性，本文篇幅有限不做赘述，欢迎有兴趣的读者自行探索。