C++ 23 实用工具（一）

工具函数是非常有价值的工具。它们不仅可以用于特定的领域，还可以应用于任意值和函数，甚至可以创建新的函数并将它们绑定到变量上。

常用函数

你可以使用各种变体的 min、max 和 minmax 函数来对值和初始化列表进行操作。这些函数需要头文件 <algorithm>。相反，std::move、std::forward、std::to_underlying 和 std::swap 函数则定义在头文件 <utility> 中，你可以将它们应用于任意值中。

以上是本章节中提供的一些实用工具函数和库，可以在各个领域和场景中灵活使用。希望这些函数和库能够帮助你更加高效地开发和管理项目。

std::min、std::max和std::minmax

在 C++ 的 <algorithm> 头文件中，有三个非常有用的函数：std::min、std::max 和 std::minmax。它们可以作用于值和初始化列表，并将所请求的值作为结果返回。对于 std::minmax 函数，你会得到一个 std::pair，其中第一个元素是最小值，第二个元素是最大值。默认情况下使用小于运算符（<），但你可以应用自己的比较运算符。这个函数需要两个参数并返回一个布尔值。这种返回 true 或 false 的函数称为谓词。

int main()
{
	std::cout << std::min(2011, 2022) << std::endl; // 2011
	std::cout << std::min({3, 1, 2011, 2022, -5}) << std::endl; // -5
	std::cout << std::min(-10, -5, [](int a, int b) { return std::abs(a) < std::abs(b); }) << std::endl; // -5

	auto pairInt = std::minmax(2011, 2022);
	auto pairSeq = std::minmax({3, 1, 2011, 2022, -5});
	auto pairAbs = std::minmax({3, 1, 2011, 2022, -5}, [](int a, int b) { return std::abs(a) < std::abs(b); });

	std::cout << pairInt.first << "," << pairInt.second << std::endl; // 2011,2022
	std::cout << pairSeq.first << "," << pairSeq.second << std::endl; // -5,2022
	std::cout << pairAbs.first << "," << pairAbs.second << std::endl; // 1,2022

	return 0;
}

函数	描述
min(a, b)	返回 a 和 b 中的较小值。
min(a, b, comp)	根据谓词 comp 返回 a 和 b 中的较小值。
min(initializer list)	返回初始化列表中的最小值。
min(initializer list, comp)	根据谓词 comp 返回初始化列表中的最小值。
max(a, b)	返回 a 和 b 中的较大值。
max(a, b, comp)	根据谓词 comp 返回 a 和 b 中的较大值。
max(initializer list)	返回初始化列表中的最大值。
max(initializer list, comp)	根据谓词 comp 返回初始化列表中的最大值。
minmax(a, b)	返回 a 和 b 中的较小值和较大值。
minmax(a, b, comp)	根据谓词 comp 返回 a 和 b 中的较小值和较大值。
minmax(initializer list)	返回初始化列表中的最小值和最大值。
minmax(initializer list, comp)	根据谓词 comp 返回初始化列表中的最小值和最大值。

std::midpoint 和 std::lerp

std::midpoint(a, b) 函数计算 a 和 b 的中点。a 和 b 可以是整数、浮点数或指针。如果 a 和 b 是指针，则必须指向同一数组对象。std::midpoint 函数需要头文件 <numeric>。

std::lerp(a, b, t) 函数计算两个数的线性插值。它需要头文件 <cmath>。返回值为 a + t(b - a)。

线性插值是一种常见的数值分析技术，用于在两个已知数据点之间估算未知点的值。它可以用于许多应用程序，例如图像处理、计算机图形学和动画。其中一个常见的用途是在两个颜色之间进行插值，以创建渐变效果。

#include <iostream>
#include <numeric>
#include <cmath>

int main()
{
	// midpoint
	std::cout << std::midpoint(10, 20) << std::endl; // 15
	std::cout << std::midpoint(10.5, 20.5) << std::endl; // 15.5

	int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
	int* p1 = &arr[0];
	int* p2 = &arr[4];
	std::cout << *std::midpoint(p1, p2) << std::endl; // 3

	// lerp
	std::cout << std::lerp(10, 20, 0.5) << std::endl; // 15
	std::cout << std::lerp(10.5, 20.5, 0.5) << std::endl; // 15.5

	return 0;
}

std::cmp_equal, std::cmp_not_equal, std::cmp_less, std::cmp_greater, std::cmp_less_equal 和 std::cmp_greater_equal

头文件 <utility> 中定义的函数 std::cmp_equal、std::cmp_not_equal、std::cmp_less、std::cmp_greater、std::cmp_less_equal 和 std::cmp_greater_equal 提供整数的安全比较。安全比较意味着负有符号整数与无符号整数进行比较时，负有符号整数的比较小于无符号整数，并且除有符号或无符号整数之外的其他值的比较会在编译时出错。

以下是一个代码片段，演示了有符号/无符号比较的问题。

-1 < 0u; // true
std::cmp_greater(-1, 0u); // false

将 -1 视为有符号整数时，它被提升为无符号类型，这导致了一个令人惊讶的结果。

std::move

头文件 <utility> 中定义的 std::move 函数授权编译器移动资源。在所谓的移动语义中，源对象的值被移动到新对象中。之后，源对象处于一个定义良好但不确定的状态。大多数情况下，这是源对象的默认状态。使用 std::move，编译器将源参数转换为右值引用：static_cast<std::remove_reference<decltype(arg)>::type&&>(arg)。如果编译器无法应用移动语义，则回退到复制语义：

#include <utility>
// ...
std::vector<int> myBigVec(10000000, 2011);
std::vector<int> myVec;
myVec = myBigVec; // 复制语义
myVec = std::move(myBigVec); // 移动语义

移动语义可以提高程序的性能，因为它避免了不必要的内存分配和复制操作。但是请注意，移动语义只适用于具有可移动的资源的对象，例如指针、文件句柄和大型数组。对于简单类型，移动语义通常不会提供任何性能优势。

std::forward

std::forward是定义在头文件中的一个函数，它可以让你编写函数模板，以完全相同的方式转发它们的参数。使用std::forward的典型用例是工厂函数或构造函数。工厂函数创建一个对象，因此应该传递它们的参数而不作任何修改。构造函数通常使用它们的参数来使用相同的参数初始化它们的基类。因此，std::forward是通用库作者的完美工具。

createT是一个函数模板，它必须将它们的参数作为通用引用（Args&&… args）接收。通用引用或转发引用是一个类型推断上下文中的右值引用。std::forward与可变模板一起使用，可以定义完全通用的函数模板。您的函数模板可以接受任意数量的参数并将它们不变地转发。以下是createT的示例用法：

#include <utility>
using std::initialiser_list;

struct MyData{
    MyData(int, double, char){};
};

template <typename T, typename... Args>
T createT(Args&&... args){
    return T(std::forward<Args>(args)... );
}

int a = createT<int>();
int b = createT<int>(1);
std::string s = createT<std::string>("Only for testing.");
MyData myData2 = createT<MyData>(1, 3.19, 'a');
typedef std::vector<int> IntVec;
IntVec intVec = createT<IntVec>(initialiser_list<int>({1, 2, 3}));

以上是使用std::forward和createT示例的代码。这段代码定义了一个MyData结构体以及一个createT函数模板，用于创建各种类型的对象。createT函数模板使用std::forward将其参数转发到T类型的构造函数中，以创建T类型的对象。这使得createT函数模板可以用于创建任何类型的对象，从基本类型到自定义类型。

#include <utility>
#include <vector>
#include <string>
#include <initializer_list>

using std::initializer_list;

struct MyData
{
	MyData(int, double, char)
	{
	};
};

template <typename T, typename... Args>
T createT(Args&&... args)
{
	return T(std::forward<Args>(args)...);
}

int main()
{
	int a = createT<int>();
	int b = createT<int>(1);
	std::string s = createT<std::string>("Only for testing.");
	MyData myData2 = createT<MyData>(1, 3.19, 'a');
	typedef std::vector<int> IntVec;
	IntVec intVec = createT<IntVec>(initializer_list<int>({1, 2, 3}));

	return 0;
}

使用std::forward实现完全通用的函数模板

在 C++ 中，使用模板可以实现通用的函数，但是当函数需要接受任意类型的参数时，需要使用可变模板参数（variadic templates）和通用引用（universal reference）。

通用引用是指在类型推导上下文中的右值引用，其语法为 Args&&… args。它可以接受任意类型（左值或右值）的参数，并保持完整性。在函数模板中使用通用引用时，需要使用 std::forward 函数来实现参数的完美转发。

std::forward 是一个 C++11 的模板函数，它可以将一个参数以右值或左值的形式进行转发。通常用于在一个函数中将参数转发到另一个函数，以实现参数的完美转发。

使用 std::forward 和可变模板参数，我们可以定义完全通用的函数模板。函数模板可以接受任意数量和类型的参数，并将它们完美转发到另一个函数中。这样可以大大提高代码的复用性和灵活性。

std::to_underlying

在 C++23 中，函数 std::to_underlying 将枚举类型 enum 转换为其基础类型。这个函数是一个便利函数，其表达式为 static_cast<std::underlying_type<Enum>::type>(enum)，使用了类型特征函数 std::underlying_type。

enum class Color { RED, GREEN, BLUE };
Color c = Color::RED;
std::underlying_type_t<Color> cu = std::to_underlying(c);

上面的代码将枚举类型 Color 的值 Color::RED 转换为其基础类型 std::underlying_type_t<Color>。

std::swap

使用头文件 <utility> 中定义的函数 std::swap，您可以轻松交换两个对象。C++ 标准库中的通用实现内部使用函数 std::move。

下面是带有移动语义的 std::swap 的示例实现代码：

#include <utility>

template <typename T>
inline void swap(T& a, T& b) noexcept {
    T tmp(std::move(a));
    a = std::move(b);
    b = std::move(tmp);
}

上面的代码定义了一个模板函数 swap，可以交换两个类型为 T 的对象。该函数内部使用了 std::move 来实现移动语义，从而提高了效率