原位构造与容器的 emplace 系列函数在介绍emplace和emplace_back方法之前我们先看一段代码#include iostream #include list class Test { public: Test(int a, int b, int c) { ma a; mb b; mc c; std::cout Test constructed. std::endl; } ~Test() { std::cout Test destructed. std::endl; } Test(const Test rhs) { if (this rhs) return; this-ma rhs.ma; this-mb rhs.mb; this-mc rhs.mc; std::cout Test copy-constructed. std::endl; } private: int ma; int mb; int mc; }; int main() { std::listTest collections; for (int i 0; i 10; i) { Test t(1 * i, 2 * i, 3 * i); collections.push_back(t); } return 0; }上述代码在一个循环里面产生一个对象然后将这个对象放入集合当中这样的代码在实际开发中太常见了。但是这样的代码存在严重的效率问题。循环中的 t 对象在每次循环时都分别调用一次构造函数、拷贝构造函数和析构函数。这个过程示意如下循环 10 次总共调用三十次。但实际上我们的初衷是创建一个对象 t将其直接放入集合中而不是将 t 作为一个中间临时产生的对象这样的话总共只需要调用 t 的构造函数 10 次就可以了。有C 11 提供了一个在这种情形下替代 push_back 的方法 ——emplace_back使用emplace_back我们将main函数中的代码改写一下std::listTest collections; for (int i 0; i 10; i) { collections.emplace_back(1 * i, 2 * i, 3 * i); }实际执行的时候我们发现现在只需要调用 Test 类的构造函数 10 次大大地提高了执行效率。同理在这种情形下对于像std::list、std::vector这样的容器其 push/push_front 方法在 C11 中也有对应的改进方法即 emplace/emplace_front 方法。C Reference 上将这里的emplace操作称之为“原位构造元素”EmplaceConstructible是非常贴切的。原方法C 11 改进方法方法含义push/insertemplace在容器指定位置原位构造元素push_frontemplace_front在容器首部原位构造元素push_backemplace_back在容器尾部原位构造元素除了使用 emplace 系列函数原位构造元素我们也可以为 Test 类添加移动构造函数Move Constructor来复用产生的临时对象 t 以提高效率这将在后面介绍 std::move() 方法时介绍。std::map 的 try_emplace 与 insert_or_assign 方法由于 std::map 中的元素的 key 是唯一的所以在实际开发中我们经常会遇到这样一类需求即往某个 map 中插入元素时需要先检测 map 中指定的 key 是否存在如果不存在才做插入操作如果存在则直接取来使用或者在指定 key 不存在时做插入操作存在时做更新操作。以 PC 版 QQ 为例好友列表中每个好友都对应一个 userid当我们双击某个 QQ 好友头像时如果与该好友的聊天对话框这里使用 ChatDialog 表示已经创建则直接激活显示如果不存在则创建并显示之。假设我们使用 std::map 来管理这些聊天对话框在 C17 之前我们必须编写额外的逻辑去判断元素是否存在上述逻辑可以编写成如下代码class ChatDialog { //其他实现省略... public: void activate() { //实现省略 } }; //用于管理所有聊天对话框的mapkey是好友idChatDialog是聊天对话框指针 std::mapint64_t, ChatDialog* m_ChatDialogs; //双击好友头像后 void onDoubleClickFriendItem(int64_t userid) { auto targetChatDialog m_ChatDialogs.find(userid); //好友对话框不存在则创建之并激活 if (targetChatDialog m_ChatDialogs.end()) { ChatDialog* pChatDialog new ChatDialog(); m_ChatDialogs.insert(std::pairint64_t, ChatDialog*(userid, pChatDialog)); pChatDialog-activate(); } //好友对话框存在直接激活 else { targetChatDialog-second-activate(); } }在 C 17 中 map 提供了一个try_emplace这样的方法该方法会检测指定的 key 是否存在如果存在则什么也不做。函数签名如下template class... Args pairiterator, bool try_emplace(const key_type k, Args... args); template class... Args pairiterator, bool try_emplace(key_type k, Args... args); template class... Args iterator try_emplace(const_iterator hint, const key_type k, Args... args); template class... Args iterator try_emplace(const_iterator hint, key_type k, Args... args);上述函数签名中 参数k表示需要插入的 keyargs 参数是一个不定参数表示构造 value 对象需要传给构造函数的参数hint参数可以指定插入位置。在前两种签名形式中try_emplace的返回值是一个std::pairT1, T2类型其中T2是一个 bool 类型表示元素是否成功插入 map 中T1是一个 map 的迭代器如果插入成功则返回指向插入位置的元素的迭代器如果插入失败则返回 map 中已存在的相同 key 元素的迭代器。 我们用try_emplace改写上面的代码这里我们不关心插入位置因此使用前两个签名#include iostream #include map class ChatDialog { //其他实现省略... public: void activate() { //实现省略 } }; //用于管理所有聊天对话框的mapkey是好友idChatDialog是聊天对话框指针 std::mapint64_t, ChatDialog* m_ChatDialogs; //普通版本 void onDoubleClickFriendItem(int64_t userid) { auto targetChatDialog m_ChatDialogs.find(userid); //好友对话框不存在则创建之并激活 if (targetChatDialog m_ChatDialogs.end()) { ChatDialog* pChatDialog new ChatDialog(); m_ChatDialogs.insert(std::pairint64_t, ChatDialog*(userid, pChatDialog)); pChatDialog-activate(); } //好友对话框存在直接激活 else { targetChatDialog-second-activate(); } } //C 17版本1 void onDoubleClickFriendItem2(int64_t userid) { //结构化绑定和try_emplace都是 C17语法 auto [iter, inserted] m_ChatDialogs.try_emplace(userid); if (inserted) iter-second new ChatDialog(); iter-second-activate(); } int main() { //测试用例 //906106643 是userid onDoubleClickFriendItem2(906106643L); //906106644 是userid onDoubleClickFriendItem2(906106644L); //906106643 是userid onDoubleClickFriendItem2(906106643L); return 0; }使用了try_emplace改写后的代码简洁了许多。但是上述代码存在一个注意事项由于std::mapint64_t, ChatDialog* m_ChatDialogs的 value 是指针类型ChatDialog*而try_emplace第二个不参数支持的是构造一个 ChatDialog 对象而不是指针类型因此当某个 userid 不存在时成功插入 map 后会导致相应的 value 为空指针。因此我们利用inserted的值按需 new 出一个 ChatDialog。当然新的 C 语言规范C11 及后续版本提供了灵活而强大的智能指针以后我们就不应该再有任何理由去使用裸指针了因此上述代码可以使用 std::unique_ptr 智能指针类型来重构/** * std::map::try_emplace用法演示 * zhangyl 2019.10.06 */ #include iostream #include map #include memory class ChatDialog { //其他实现省略... public: ChatDialog() { std::cout ChatDialog constructor std::endl; } ~ChatDialog() { std::cout ChatDialog destructor std::endl; } void activate() { //实现省略 } }; //用于管理所有聊天对话框的mapkey是好友idvalue是ChatDialog是聊天对话框智能指针 std::mapint64_t, std::unique_ptrChatDialog m_ChatDialogs; //C 17 版本2 void onDoubleClickFriendItem3(int64_t userid) { //结构化绑定和try_emplace都是 C17语法 auto spChatDialog std::make_uniqueChatDialog(); auto [iter, inserted] m_ChatDialogs.try_emplace(userid, std::move(spChatDialog)); iter-second-activate(); } int main() { //测试用例 //906106643 是userid onDoubleClickFriendItem3(906106643L); //906106644 是userid onDoubleClickFriendItem3(906106644L); //906106643 是userid onDoubleClickFriendItem3(906106643L); return 0; }上述代码将 map 的类型从std::mapint64_t, ChatDialog* 改为std::mapint64_t, std::unique_ptrChatDialog让程序自动管理聊天对话框对象。程序在 gcc/g 7.3 下编译并运行输出如下[rootmydev test]# g -g -o test_map_try_emplace_with_smartpointer test_map_try_emplace_with_smartpointer.cpp -stdc17 [rootmydev test]# ./test_map_try_emplace_with_smartpointer ChatDialog constructor ChatDialog constructor ChatDialog constructor ChatDialog destructor ChatDialog destructor ChatDialog destructor上述代码中构造函数和析构函数均被调用了 3 次实际上按最原始的逻辑上文中普通版本ChatDialog 应该只被构造和析构 2 次多出来的一次是因为在try_emplace时无论某个 userid 是否存在于 map 中均创建一个 ChatDialog 对象这个是额外的、用不上的对象由于这个对象并没有被用上当出了函数onDoubleClickFriendItem3作用域后智能指针对象spChatDialog被析构进而导致这个额外的、用不上的 ChatDialog 对象被析构。这相当于做了一次无用功。为此我们可以继续优化我们的代码如下#include iostream #include map #include memory class ChatDialog { //其他实现省略... public: ChatDialog() { std::cout ChatDialog constructor std::endl; } ~ChatDialog() { std::cout ChatDialog destructor std::endl; } void activate() { //实现省略 } }; //用于管理所有聊天对话框的mapkey是好友idvalue是ChatDialog是聊天对话框智能指针 std::mapint64_t, std::unique_ptrChatDialog m_ChatDialogs; //C 17版本3 void onDoubleClickFriendItem3(int64_t userid) { //结构化绑定和try_emplace都是 C17语法 auto [iter, inserted] m_ChatDialogs.try_emplace(userid, nullptr); if (inserted) { //这样就按需创建了 auto spChatDialog std::make_uniqueChatDialog(); iter-second std::move(spChatDialog); } iter-second-activate(); } int main() { //测试用例 //906106643 是userid onDoubleClickFriendItem3(906106643L); //906106644 是userid onDoubleClickFriendItem3(906106644L); //906106643 是userid onDoubleClickFriendItem3(906106643L); return 0; }上述代码我们按照之前的裸指针版本的思路按需创建一个智能指针对象。这样就避免了一次 ChatDialog 对象无用的构造和析构。再次编译程序执行结果如下[rootmydev test]# g -g -o test_map_try_emplace_with_smartpointer2 test_map_try_emplace_with_smartpointer2.cpp -stdc17 [rootmydev test]# ./test_map_try_emplace_with_smartpointer2 ChatDialog constructor ChatDialog constructor ChatDialog destructor ChatDialog destructor为了演示try_emplace函数支持原位构造上文已经介绍我们将 map 的 value 类型改成 ChatDialog 类型当然这里只是为了演示方便实际开发中对于非 POD 类型的复杂数据类型在 stl 容器中应该存储其指针或者智能指针类型而不是对象本身。修改后的代码如下#include iostream #include map class ChatDialog { //其他实现省略... public: ChatDialog(int64_t userid) : m_userid(userid) { std::cout ChatDialog constructor std::endl; } ~ChatDialog() { std::cout ChatDialog destructor std::endl; } void activate() { //实现省略 } private: int64_t m_userid; }; //用于管理所有聊天对话框的mapkey是好友idvalue是ChatDialog是聊天对话框对象 std::mapint64_t, ChatDialog m_ChatDialogs; //C 17版本4 void onDoubleClickFriendItem3(int64_t userid) { //第二个userid是传给ChatDialog构造函数的参数 auto [iter, inserted] m_ChatDialogs.try_emplace(userid, userid); iter-second.activate(); } int main() { //测试用例 //906106643 是userid onDoubleClickFriendItem3(906106643L); //906106644 是userid onDoubleClickFriendItem3(906106644L); //906106643 是userid onDoubleClickFriendItem3(906106643L); return 0; }上述代码中我们为 ChatDialog 类的构造函数增加了一个 userid 参数因此当我们调用try_emplace方法时需要传递一个参数这样try_emplace就会根据 map 中是否已存在同样的 userid 按需构造 ChatDialog 对象。程序执行结果和上一个代码示例应该是一样的[rootmydev test]# g -g -o test_map_try_emplace_with_directobject test_map_try_emplace_with_directobject.cpp -stdc17 [rootmydev test]# ./test_map_try_emplace_with_directobject ChatDialog constructor ChatDialog constructor ChatDialog destructor ChatDialog destructor关于std::move和 智能指针对象std::unique_ptr我们将在后面小节详细介绍。上面我们介绍了如果 map 中指定的 key 不存在则插入存在则使用的情形。我们再来介绍一下如果 map 中指定的 key 不存在则插入存在则更新其 value 值的情形。C17 为此也为 map 容易新增了一个这样的方法insert_or_assign让我们不再像 C17 标准之前需要额外编写先判断是否存在不存在则插入存在则更新的代码了这次我们可以直接一步到位。insert_or_assign的函数签名如下template class M pairiterator, bool insert_or_assign(const key_type k, M obj); template class M pairiterator, bool insert_or_assign(key_type k, M obj); template class M iterator insert_or_assign(const_iterator hint, const key_type k, M obj); template class M iterator insert_or_assign(const_iterator hint, key_type k, M obj);其各个函数参数的含义与try_emplace一样这里就不再赘述。我们来看一个例子int main() { std::mapstd::string, int mapUsersAge{ { Alex, 45 }, { John, 25 } }; mapUsersAge.insert_or_assign(Tom, 26); mapUsersAge.insert_or_assign(Alex, 27); for (const auto [userName, userAge] : mapUsersAge) { std::cout userName: userName , userAge: userAge std::endl; } }上述代码中尝试插入名为Tom的用户由于该人名在 map 中不存在因此插入成功当插入人名为Alex的用户时由于 map 中已经存在该人名了因此只对其年龄进行更新Alex的年龄从 45 更新为 27。程序执行结果如下[rootmydev test]# g -g -o test_map_insert_or_assign test_map_insert_or_assign.cpp -stdc17 [rootmydev test]# ./test_map_insert_or_assign userName: Alex, userAge: 27 userName: John, userAge: 25 userName: Tom, userAge: 26本节介绍了 C11、17 为 stl 容器新增的几个实用方法合理利用它们会让我们的程序变得更简洁、更高效。其实新的标准一致在不断改进和优化已有 stl 各个容器如果读者的工作需要经常与这些容器打交道建议读者平常留意 C 新标准涉及到它们的新动态。
