一、C++11基础简介

为何学习C++11

C++11，即C++14标准的前身，带来了许多功能增强，显著提升了编程体验。学习C++11能帮助开发者更有效地利用现代C++语言的特性，提高代码的可读性、可维护性和效率。

C++11的主要增强功能

C++11引入了多项功能增强，包括但不限于：

• 自动类型推断（auto关键字）
• 可变模板和通用模板参数（variadic templates）
• 范围基元（range-based for loops）
• 函数式编程技巧（lambda表达式）
• 并发编程支持（线程、异步编程）
• 输入输出流和容器的改进（改进的I/O流、新容器如ranges）

二、变量和类型

引入auto关键字

在C++11中，auto关键字用于自动推断变量类型。这为编写简洁、易于理解的代码提供了便利。例如：

auto x = 42; // x被推断为整型
auto y = 3.14; // y被推断为浮点型

可变模板和通用模板参数

可变模板允许在一个模板中使用不同数目和类型的参数。通用模板参数则允许模板参数具有默认值和限定条件。以下是示例：

template <typename... Args>
void print(Args... args) {
    (std::cout << ... << args) << '\n';
}

template <typename T = int>
class AutoDefaultTemplate {
    T value;
    // ...
};

范围基元（Range-Based For Loops）

范围基元简化了迭代容器，使得代码更易于阅读和理解：

std::vector<int> numbers = {1, 2, 3};
for (auto num : numbers) {
    std::cout << num << std::endl;
}

三、函数式编程

使用lambda表达式简化代码

lambda表达式允许在代码中定义简单函数，极大地简化了函数式编程的实现。例如：

std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
std::vector<int> even_numbers;
std::copy_if(numbers.begin(), numbers.end(), std::back_inserter(even_numbers), [](int x) { return x % 2 == 0; });

引入constexpr宏

constexpr宏允许在编译时计算函数结果，提高性能。例如：

constexpr int sum(int a, int b) {
    return a + b;
}
int result = sum(5, 10); // 在编译时计算结果为15

优化函数和模板

C++11引入了模板元编程和函数模板的优化，使得代码更加高效。例如：

template <typename T>
struct Identity {
    T value;
};

template <typename T>
T apply(Identity<T> const& id) {
    return id.value;
}

四、并发编程

利用C++11的线程特性

C++11提供了线程库，可方便地实现多线程编程。例如：

#include <iostream>
#include <thread>

void threadFunction() {
    std::cout << "Thread executing." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    t.join();
    return 0;
}

简单实现线程同步

线程同步机制如互斥锁（mutex）可确保线程安全：

#include <iostream>
#include <thread>
#include <mutex>

std::mutex mtx;

void threadFunction() {
    std::lock_guard<std::mutex> lock(mtx);
    std::cout << "Thread executing." << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t(threadFunction);
    t.join();
    return 0;
}

使用future和async实现异步编程

future和async提供了异步执行任务的便利方式：

#include <iostream>
#include <future>
#include <thread>

std::future<int> asyncFunction() {
    std::promise<int> p;
    std::thread t([&p]() {
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(1));
        p.set_value(42);
    });
    t.detach();
    return p.get_future();
}

int main() {
    std::future<int> result = asyncFunction();
    std::cout << "Waiting for result: " << result.get() << std::endl;
    return 0;
}

五、输入输出与容器

标准I/O流的改进

C++11对输入输出流进行了改进，新增了std::stringstream和std::getline等增强功能，简化了文本处理：

std::stringstream ss;
ss << "Hello, World!";
std::string str;
ss >> str; // str现在包含"Hello, World!"

介绍新容器：ranges和ranges的使用场景

C++11引入了新的容器ranges，使得迭代和操作容器元素更加直观：

std::vector<int> numbers = {1, 2, 3};
int sum = std::accumulate(numbers.begin(), numbers.end(), 0);

六、实战练习与案例

经典算法实现

实现快速排序算法，展示C++11的简洁性：

#include <algorithm>
#include <vector>

std::vector<int> quicksort(std::vector<int> vec) {
    if (vec.size() <= 1) {
        return vec;
    }
    int pivot = vec[0];
    std::vector<int> less;
    std::vector<int> equal;
    std::vector<int> greater;
    for (int i : vec) {
        if (i < pivot) {
            less.push_back(i);
        } else if (i == pivot) {
            equal.push_back(i);
        } else {
            greater.push_back(i);
        }
    }
    less = quicksort(less);
    greater = quicksort(greater);
    less.insert(less.end(), equal.begin(), equal.end());
    less.insert(less.end(), greater.begin(), greater.end());
    return less;
}

小项目实践，应用C++11特性

实现一个简单的日志记录系统，利用C++11的特性提高代码质量：

#include <iostream>
#include <string>

struct Logger {
    void info(const std::string& message) {
        std::cout << "INFO: " << message << std::endl;
    }
    void debug(const std::string& message) {
        std::cout << "DEBUG: " << message << std::endl;
    }
};

int main() {
    Logger logger;
    logger.info("This is an info message.");
    logger.debug("This is a debug message.");
    return 0;
}

错误处理和异常安全

使用std::optional处理可能的错误情况，避免空指针异常：

#include <optional>
#include <iostream>

std::optional<int> safe_division(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        return std::nullopt;
    }
    return a / b;
}

int main() {
    std::optional<int> result = safe_division(10, 0);
    if (result) {
        std::cout << "Result: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Error: Division by zero." << std::endl;
    }
    return 0;
}

通过这些实战练习和案例，你将能够更好地理解和应用C++11的新特性，进而提升你的编程技能。