你或許不瞭解的C++函數調用(1)

這篇博客名字起得可能太自大了，搞得本身像C++大牛同樣，其實並不是如此。C++有不少隱藏在語法之下的特性，使得用戶能夠在不是特別瞭解的狀況下簡單使用，這是很是好的一件事情。可是有時咱們可能會忽然間發現一個頗有意思的現象，而後去查資料，最終學到了C++的一個特性。因此極可能每一個人理解的C++都有很大不一樣，我只是從本身的角度去跟你們分享而已。

C++的函數調用相比於C的函數調用要複雜不少，這主要是因爲函數重載、類、命名空間等特性形成的。

根據Stephan T. Lavavej的介紹，C++編譯器在解析一次函數調用的時候，要按照順序作如下事情（根據具體狀況，有些步驟可能會跳過的）：

1) 名字查找（Name Lookup）

2) 模板參數類型推導（Template Argument Deduction）

3) 重載決議（Overload Resolution）

4) 訪問控制（Access Control）

5) 動態綁定（Dynamic Binding）

 

本篇博客主要跟你們分享下本身對Name lookup的理解。

對於編譯器來講，完成一次函數調用以前，必須可以先找到這個函數。在C中這個問題很簡單，就是函數調用點向上找函數聲明，若是能找到就匹配，若是找不到就報錯。在C++中有函數重載（Function Overload）和名字空間（Namespace）的概念，使得這個問題變得有些複雜，但很是有意思。

1、從一段程序講起

 

首先，問你們個問題，在C++程序中，咱們常常這樣寫：

#include <iostream>

int main()
{
    std::cout << "Hello, Core C++!" << std::endl;
}

請問：上面main函數中的語句使用了重載操做符<<，若是用普通函數調用的語法該怎麼寫？

顯然，這個語句一共有兩次operator<<函數調用。那麼這兩個operator<<函數調用是同樣的函數嗎？若是不是，區別在哪裏？

OK，告訴你們答案吧，上面的代碼等價於這樣寫：

#include <iostream>

int main()
{
    operator<<(std::cout, "Hello, Core C++!");
    std::cout.operator<<(std::endl);
}

你們看出來了吧？第一次operator<<調用的是一個全局函數，而第二次調用的是一個成員函數。

若是再深刻一些，std::endl究竟是個什麼東西？直覺上這就是用來換行的，可能就是一個\n。而事實上，std::endl是一個函數。爲何呢？咱們先看看VC中std::endl的代碼：

template<class _Elem,
    class _Traits> inline
    basic_ostream<_Elem, _Traits>&
        __CLRCALL_OR_CDECL endl(basic_ostream<_Elem, _Traits>& _Ostr)
    {    // insert newline and flush stream
    _Ostr.put(_Ostr.widen('\n'));
    _Ostr.flush();
    return (_Ostr);
    }

std::endl是一個全局函數，接受一個basic_ostream參數_Ostr。函數內部作了兩件事情：1、調用_Ostr的put(const char*)成員函數，輸出\n；2、調用_Ostr的flush()函數。其中第二步保證了ostream當即刷新，這也就是std::cout<<」\n」和std::cout<<std::endl的區別。也就只有std::endl是個函數才能完成這樣的操做。

仍是最開始的例子，若是寫成這樣：

#include <iostream>

int main()
{
    cout << "Hello, Core C++!" << endl;
}

編譯器會提示「undeclared identifier」，由於咱們沒有指定任何namespace，編譯器默認到全局命名空間中查找，至關於::cout << "Hello, Core C++!" << ::endl;，而程序中並無提供的cout和endl，所以找不到。這個你們應該都比較熟悉了。

再問你們一個問題：

operator<<(std::cout, "Hello, Core C++!");

爲何這個語句不寫成：

std::operator<<(std::cout, "Hello, Core C++!");

也能經過編譯呢？畢竟operator<<是在std名字空間裏，全局名字空間裏面並無，爲何沒有報錯呢？

2、Name Lookup的主要機制

這就要從C++標準中對於名字查找的描述提及了。C++中有三種主要名字查找機制：

a) 隱式名字查找（Unqualified name lookup）；

b) 基於參數的名字查找（Argument-dependent name lookup，ADL）；

c) 顯式名字查找（Qualified name lookup）。

顯然，若是變量和函數以前不寫任何名字空間，就是隱式名字查找，此時編譯器只會從當前命名空間和全局命名空間中查找；若是寫了名字空間，就是顯式名字查找，編譯器會忠實地按照指定的命名空間去查找。

最有意思的是基於參數的名字查找，簡稱ADL，也叫Koenig Lookup，這種名字查找方式是C++大牛Andrew Koenig發明的。具體來講，對於一個函數調用，若是沒有顯式地寫函數的名字空間，編譯器會根據函數的參數所在的名字空間裏面去查找這個函數。最新的C++標準增強了這個規則，叫Pure ADL，也就是隻到參數所在的名字空間裏去查找，而不到其它名字空間裏查找，這樣的好處是防止找到其它名字空間裏具備相同簽名的函數，致使很是隱蔽的bug。

這就能夠理解爲何

operator<<(std::cout, "Hello, Core C++!");

能夠正常編譯了，由於函數中有std::cout這個參數，因此編譯器就會到std名字空間裏去查找operator<<這個函數。

這個特色很是重要，不然C++中的操做符重載根本沒法作到像如今如此簡潔。能夠想象下，若是每次都要去指定操做符的命名空間，語法該有多醜！僅僅經過ADL，就能夠看出Andrew Koenig對於C++的貢獻。

注意：

std::cout.operator<<(std::endl);

這個語句不能省略最前面的std::，這是由於C++中類自己也造成了一個名字空間（就是類名），也就是說std::cout.operator<<這個函數的名字空間是std:ostream，而不是std，而std::endl在std名字空間中，ADL是不會向下去查找嵌套的名字空間的的，只會在當前名字空間裏去查找。所以最前面的std::不能省略。

3、名字空間污染

對已一開始的例子，可能不少人更喜歡寫成：

#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    cout << "Hello, Core C++!" << endl;
}

這樣下面使用任何STL裏面的類和算法的時候，都不用加上std::前綴了，這樣是方便，可是也是會帶來問題的。using namespace std;這個語句將std裏面全部的東西（類、算法、對象等等）都引入到我當前的名字空間中，其中不少東西我是暫時使用不到的。若是我本身在當前名字空間中定義了一些和std中同名的東西的話，就會致使一些意想不到的問題：

#include <iostream>
using namespace std;

class Polluted {
public:
    Polluted& operator<<(const char*)
    {
        return *this;
    }
};
int main()
{
    Polluted cout;
    cout << "Hello, Core C++!\n";
}

上面這個程序，看上去會輸入Hello, Core C++!，實際上卻什麼都沒作。由於cout已經不是std::cout了，而是Polluted的一個對象，這個對象恰巧也有一個operator<<(const char*)函數。由於名字空間查找和普通變量的做用域同樣，局部名字空間會覆蓋全局名字空間和引入的名字空間，因此編譯器雖然兩個cout都找到，但根據局部優先於全局的規則，選用了main函數中定義的cout，而不是std::cout。

這樣的危害在於當程序規模比較大的時候，這樣的問題會變得很隱蔽，甚至測試都不必定能測試到，可是卻會引起很是奇怪的問題，給調試帶來很是大的麻煩。因此using namespace std;儘可能少用，最多使用using std::cout，這樣就只引入std中的cout，其它東西都沒有引入，出問題的機率小些，但問題依舊存在，因此若是可能的話，儘可能將std::都加上，保證不出問題。

4、using在STL中的使用

2005年，C++對STL進行了擴充，就是所謂的TR1（Technical Report 1），裏面加入了不少實用的庫，如shard_ptr、function、bind、regular exprestion等等，它們都位於std::tr1名字空間下。到了C++11，TR1中的不少庫獲得了升級，正式成爲std名字空間中的一員。可是以前不少代碼已經用了std::tr1，爲了確保已有的代碼不被破壞，而且不要重複定義相同的東西。STL採起這樣的方式：將原來std::tr1中的定義移到std中，而後在std::tr1中使用using指令將庫引入到std::tr1中。如VC中有這樣的代碼：

namespace tr1 {    // TR1 additions
using _STD allocate_shared;
using _STD bad_weak_ptr;
using _STD const_pointer_cast;
using _STD dynamic_pointer_cast;
using _STD enable_shared_from_this;
using _STD get_deleter;
using _STD make_shared;
using _STD shared_ptr;
using _STD static_pointer_cast;
using _STD swap;
using _STD weak_ptr;
}    // namespace tr1

這樣就達到了兼顧新標準和已有代碼的目標。

5、名字空間別名

若是咱們有一個很深的名字空間，好比A::B::C::D::E，而且常常會用到這裏面的類和函數，咱們不但願每次都敲這麼長的前綴，固然也不但願經過using namespace A::B::C::D::E來污染名字空間，C++提供了名字空間別名的方式來簡化使用。好比，咱們能夠經過

namespace ABCDE = A::B::C::D::E;

產生名字空間別名ABCDE，ABCDE::ClassT就等價於A::B::C::D::E::ClassT。

C++11中，這種方式的別名獲得了擴展，不只僅用於名字空間，能夠用於任何別名：

using ABCDE = A::B::C::D::E;
using ABCDE_ClassT = ABCDE::ClassT;

這樣的語法基本上能夠替代typedef了，並且語法更簡潔。

 

OK，關於Name lookup相關的就想到這麼多，之後有新的瞭解再跟你們分享！