C++11 用戶自定義字面量

【1】為什么引入用戶自定義字面量？

在C/C++程序中，常常會使用結構體或者類來創造新的類型，以滿足實際的需求。

比如，在進行科學計算時，用戶可能需要用到復數（通常會包含實部和虛部兩部分）。

對於顏色，用戶通常會需要一個四元組（三原色及Alpha）。

對於奧運會組委會，他們則常常會需要七元組（標示來自七大洲的狀況）等等。

而當用戶想聲明一個自定義類型的“字面量”（literal）時，尤其顯得麻煩。如下示例：

#include <iostream>
using namespace std;

typedef unsigned char uint8;

struct RGBA
{
    uint8 r;
    uint8 g;
    uint8 b;
    uint8 a;
    RGBA(uint8 R, uint8 G, uint8 B, uint8 A = 0)
        : r(R), g(G), b(B), a(A)
    {}
};

ostream & operator<<(ostream& out, RGBA& col)
{
    return out << "r: " << (int)col.r
        << ", g: " << (int)col.g
        << ", b: " << (int)col.b
        << ", a: " << (int)col.a << endl;
}

void blend(RGBA& col1, RGBA& col2)
{
    cout << "blend " << endl << col1 << col2 << endl;
}

int main()
{
    RGBA col1(255, 240, 155);
    RGBA col2({ 15, 255, 10, 7 });
    blend(col1, col2);
    system("pause");
}

/*運行結果
blend
r: 255, g: 240, b: 155, a: 0
r: 15, g: 255, b: 10, a: 7
*/

在程序中想通過blend函數對兩個確定的RGBA對象進行運算。采用了傳統的方式，即先聲明兩個RGBA的變量，並且賦予相應初值，再將其傳給函數blend。

在編寫測試用例的時候，常會遇到需要聲明較多值確定的RGBA變量。那么這樣的聲明變量–傳值運算的方式顯得非常麻煩。

如果自定義類型可以像內置類型一樣向函數傳遞字面常量，比如向函數func傳遞字面常量func(2, 5.0f)，無疑這樣的測試代碼會方便很多。

以上即引入用戶自定義字面量的原因。

【2】自定義字面量的應用與注意事項

C++11實現了如上的願望，即可以通過定一個后綴標識的操作符，將聲明了該后綴標識的字面量轉換為需要的相應類型。

如上示例改造代碼：

#include <iostream>
using namespace std;

typedef unsigned char uint8;

struct RGBA
{
    uint8 r;
    uint8 g;
    uint8 b;
    uint8 a;
    RGBA(uint8 R, uint8 G, uint8 B, uint8 A = 0)
        : r(R), g(G), b(B), a(A)
    {}
};

RGBA operator "" _C(const char* col, size_t n)
{
    const char* p = col;
    const char* end = col + n;
    const char* r, *g, *b, *a;
    r = g = b = a = nullptr;
    for (; p != end; ++p)
    {
        if (*p == 'r') r = p;
        else if (*p == 'g') g = p;
        else if (*p == 'b') b = p;
        else if (*p == 'a') a = p;
    }
    if ((nullptr == r) || (nullptr == g) || (nullptr == b))
    {
        throw;
    }
    else if (nullptr == a)
        return RGBA(atoi(r + 1), atoi(g + 1), atoi(b + 1));
    else
        return RGBA(atoi(r + 1), atoi(g + 1), atoi(b + 1), atoi(a + 1));
}

ostream& operator<<(ostream& out, RGBA& col)
{
    return out << "r: " << (int)col.r
        << ", g: " << (int)col.g
        << ", b: " << (int)col.b
        << ", a: " << (int)col.a << endl;
}

void blend(RGBA && col1, RGBA && col2)
{
    cout << "blend " << endl << col1 << col2 << endl;
}

int main()
{    
    blend("r255 g240 b155"_C, "r15 g255 b10 a7"_C);
    system("pause");
}

/*運行結果
blend
r: 255, g: 240, b: 155, a: 0
r: 15, g: 255, b: 10, a: 7
*/

聲明了一個字面量操作符（literal operator）函數:RGBA operator"" _C(const char*col, size_t n)函數。

這個函數會解析以_C為后綴的字符串，並返回一個RGBA的臨時變量。

有了這樣一個用戶字面常量的定義，程序中不再需要通過聲明RGBA類型的聲明變量–傳值運算的方式來傳遞實際意義上的常量。

通過聲明一個字符串以及一個_C后綴，operator""_C函數會產生臨時變量。blend函數就可以通過右值引用獲得這些臨時值並進行計算。

這樣一來，用戶就完成了定義自定義類型的字面常量，可見main函數中的代碼書寫顯得更加清晰。

注意事項：

（1）在字面量操作符函數的聲明中，operator""與用戶自定義后綴之間必須有空格。

（2）后綴建議以下划線開始。不宜使用非下划線后綴的用戶自定義字符串常量，否則會被編譯器警告。

當然，這也很好理解，因為形如201203L這樣的字面量，后綴“L”無疑會引起一些混亂的狀況。為了避免混亂，最好只使用下划線開始的后綴名。

（3）C++11標准中要求聲明字面量操作符有一定的規則，該規則跟字面量的“類型”密切相關。具體規則如下：

[1] 如果字面量為整型數，那么字面量操作符函數只可接受unsigned long long或者const char*為其參數。

當unsigned long long無法容納該字面量的時候，編譯器會自動將該字面量轉化為以\0為結束符的字符串，並調用以const char*為參數的版本進行處理。

[2] 如果字面量為浮點型數，則字面量操作符函數只可接受long double或者const char*為參數。const char*版本的調用規則同整型的一樣（過長則使用const char*版本）。

[3] 如果字面量為字符串，則字面量操作符函數函數只可接受const char*, size_t為參數（已知長度的字符串）。

[4] 如果字面量為字符，則字面量操作符函數只可接受一個char為參數。

如下應用示例：

#include <iostream>
using namespace std;

// 浮點數操作符
long double operator"" _mm(long double x) { return x / 1000; }
long double operator"" _m(long double x) { return x; }
long double operator"" _km(long double x) { return x * 1000; }

// 字符串操作符，第二個參數會自動推斷為字符串的長度
size_t operator"" _len(char const*, size_t n)
{
    return n;
}

// 原始字面量操作符1
char const* operator"" _r(char const* s)
{
    return s;
}

// 原始字面量操作符2
string operator"" _rs(char const* s)
{
    return 'x' + string(s) + 'y';
}

int main()
{
    cout << 1.0_mm << '\n';  // 0.001
    cout << 1.0_m << '\n';   // 1
    cout << 1.0_km << '\n';  // 1000

    cout << "ABCDEFGH"_len << '\n'; // 8

    cout << 12_r << '\n'; // 12
    cout << 5_rs << '\n'; // x5y
}

5~7行：很簡單不做解釋。

10~13行：對於字符串相當有用，因為第二個參數會自動推斷為字符串的長度。

16~19行：為原始字面量raw literal操作符。

22~25行：字面量的返回值沒有被嚴格限定，完全可以提供相容類型的返回值。

 

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順序 選擇 循環 總結