加餐 | 部分课后思考题答案合集

Feb 12, 2020

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加餐 | 部分课后思考题答案合集

2020-02-12 吴咏炜来自北京

《现代C++编程实战》

课程介绍

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讲述：吴咏炜

时长11:45大小10.74M



你好，我是吴咏炜。这一讲我为你整理了本专栏部分课后思考题的答案，给你作为参考。
第 2 讲你觉得智能指针应该满足什么样的线程安全性？
答：（不是真正的回答，只是描述一下标准中的智能指针的线程安全性。）
多个不同线程同时访问不同的智能指针（不管是否指向同一个对象）是安全的。
多个不同线程同时读取同一个智能指针是安全的。
多个不同线程在同一个智能指针上执行原子操作（atomic_load 等）是安全的。
多个不同线程根据同一个智能指针创建新的智能指针（增加引用计数）是安全的。
只会有一个线程最后会（在引用计数表示已经无引用时）调用删除函数去销毁存储的对象。
其他操作潜在是不安全的，特别是在不同的线程对同一个智能指针执行 reset 等修改操作。
第 3 讲为什么 smart_ptr::operator= 对左值和右值都有效，而且不需要对等号两边是否引用同一对象进行判断？
答：我们使用值类型而非引用类型作为形参，这样实参永远会被移动（右值的情况）或复制（左值的情况），不可能和 *this 引用同一个对象。
第 4 讲为什么 stack（或 queue）的 pop 函数返回类型为 void，而不是直接返回容器的 top（或 front）成员？
答：这是 C++98 里、还没有移动语义时的设计。如果 pop 返回元素，而元素拷贝时发生异常的话，那这个元素就丢失了。因而容器设计成有分离的 top（或 front）和 pop 成员函数，分别执行访问和弹出的操作。
有一种可能的设计是把接口改成 void pop(T&)，这增加了 T 必须支持默认构造和赋值的要求，在单线程为主的年代没有明显的好处，反而带来了对 T 的额外要求。
第 5 讲为什么大部分容器都提供了 begin、end 等方法？
答：容器提供了 begin 和 end 方法，就意味着是可以迭代（遍历）的。大部分容器都可以从头到尾遍历，因而也就需要提供这两个方法。
为什么容器没有继承一个公用的基类？
答：C++ 不是面向对象的语言，尤其在标准容器的设计上主要使用值语义，使用公共基类完全没有用处。
第 7 讲目前这个输入行迭代器的行为，在什么情况下可能导致意料之外的后果？
答：
#include <fstream>
#include <iostream>
#include "istream_line_reader.h"
using namespace std;
int main()
{
  ifstream ifs{"test.cpp"};
  istream_line_reader reader{ifs};
  auto begin = reader.begin();
  for (auto it = reader.begin();
    it != reader.end(); ++it) {
    cout << *it << '\n';
  }
}
以上代码，因为 begin 多调用了一次，输出就少了一行……
请尝试一下改进这个输入行迭代器，看看能不能消除这种意外。如果可以，该怎么做？如果不可以，为什么？
答：很困难。比如，文件如果为空的话，从迭代器的行为角度，begin() 应该等于 end()——不预先读取一次的话，就无法获知这个结果。这样的改造总体看起来很不值，因此一般都不会选择这样做。
第 10 讲这讲里我们没有深入讨论赋值；请你思考一下，如果例子里改成赋值，会有什么样的变化？
答：返回对象部分的讨论没有变化。对象的移动赋值操作应当实现成无异常，以确保数据不会丢失。
返回值优化在赋值情况下会失效。更一般的情况下，除非需要持续更新某个变量，比如在 vector 尾部追加数据，尽量对变量进行一次性赋值、不后续修改。这样的代码更容易推理，更不容易在后续修改中出错，也更能让编译器做（返回值）优化。
第 11 讲为什么说 UTF-32 处理会比较简单？
答：UTF-32 下，一个字符就是一个基本的处理单位，一般不会出现一个字符跨多个处理单位的情况（UTF-8 和 UTF-16 下会发生）。
你知道什么情况下 UTF-32 也并不那么简单吗？
答：Unicode 下有所谓的修饰字符，用来修饰前一个字符。按 Unicode 的处理规则，这些字符应该和基本字符一起处理（如断行之类）。所以 UTF-32 下也不可以在任意单位处粗暴断开处理。
哪种 UTF 编码方式空间存储效率比较高？
答：视存储的内容而定。
比如，如果内容以 ASCII 为主（如源代码），那 UTF-8 效率最高。如果内容以一般的中文文本为主，那 UTF-16 效率最高。
第 12 讲为什么并非所有的语言都支持这些不同的多态方式？
答：排除设计缺陷的情况，语言支持哪些多态方式，基本上取决于语言本身在类型方面的特性。
以 Python 为例，它是动态类型的语言。所以它不会有真正的静态多态。但和静态类型的面向对象语言（如 Java）不同，它的运行期多态不需要继承。没有参数化多态初看是个缺陷，但由于 Python 的动态参数系统允许默认参数和可变参数，并没有什么参数化多态能做得到而 Python 做不到的事。
第 17 讲想一想，你如何可以实现一个惰性的过滤器？
答：
#include <iterator>
using namespace std;
template <typename I, typename F>
class filter_view {
public:
  class iterator {
  public:
    typedef ptrdiff_t
      difference_type;
    typedef
      typename iterator_traits<
        I>::value_type value_type;
    typedef
      typename iterator_traits<
        I>::pointer pointer;
    typedef
      typename iterator_traits<
        I>::reference reference;
    typedef forward_iterator_tag
      iterator_category;
    iterator(I current, I end, F cond)
      : current_(current)
      , end_(end)
      , cond_(cond)
    {
      if (current_ != end_ &&
          !cond_(*current_)) {
        ++*this;
      }
    }
    iterator& operator++()
    {
      while (current_ != end_) {
        ++current_;
        if (cond_(*current_)) {
          break;
        }
      }
      return *this;
    }
    iterator operator++(int)
    {
      auto temp = *this;
      ++*this;
      return temp;
    }
    reference operator*() const
    {
      return *current_;
    }
    pointer operator->() const
    {
      return &*current_;
    }
    bool operator==(const iterator& rhs)
    {
      return current_ == rhs.current_;
    }
    bool operator!=(const iterator& rhs)
    {
      return !operator==(rhs);
    }
  private:
    I current_;
    I end_;
    F cond_;
  };
  filter_view(I begin, I end,
              F cond)
    : begin_(begin)
    , end_(end)
    , cond_(cond)
  {}
  iterator begin() const
  {
    return iterator(begin_, end_, cond_);
  }
  iterator end() const
  {
    return iterator(end_, end_, cond_);
  }
private:
  I begin_;
  I end_;
  F cond_;
};
第 18 讲我展示了 compose 带一个或更多参数的情况。你觉得 compose 不带任何参数该如何定义？它有意义吗？
答：
inline auto compose()
{
    return [](auto&& x) -> decltype(auto)
    {
        return std::forward<decltype(x)>(x);
    };
}
这个函数把参数原封不动地传回。它的意义相当于加法里的 0，乘法里的 1。
在普通的加法里，你可能不太需要 0；但在一个做加法的地方，如果别人想告诉你不要做任何操作，传给你一个 0 是最简单的做法。
有没有可能不用 index_sequence 来初始化 bit_count？如果行，应该如何实现？
答：可以，但这里有个小陷阱，目前 constexpr 要求在构造时直接初始化对象的内容。
template <size_t N>
struct bit_count_t {
  constexpr bit_count_t()
  {
    for (auto i = 0U; i < N; ++i) {
      count[i] = count_bits(i);
    }
  }
  unsigned char count[N]{};
};
constexpr bit_count_t<256>
  bit_count;
也可以考虑改用 std::array：
std::array<char, N> count{};
使用 std::array 的话，我们可以考虑不再需要 bit_count_t 结构，因为可以让 get_bit_count 直接返回一个 std::array<char, 256>（返回 char [256] 则不可行）。
到了 C++20，允许 constexpr 对象里存在平凡默认构造的成员之后，就可以去掉数组声明后的那个看似多余的初始化器 {} 了——但你仍需在后面初始化所有的成员。
作为一个挑战，你能自行实现出 make_integer_sequence 吗？
答 1：
template <class T, T... Ints>
struct integer_sequence {};
template <class T>
struct integer_sequence_ns {
  template <T N, T... Ints>
  struct integer_sequence_helper {
    using type =
      typename integer_sequence_helper<
        N - 1, N - 1,
        Ints...>::type;
  };
  template <T... Ints>
  struct integer_sequence_helper<
    0, Ints...> {
    using type =
      integer_sequence<T, Ints...>;
  };
};
template <class T, T N>
using make_integer_sequence =
  typename integer_sequence_ns<T>::
    template integer_sequence_helper<
      N>::type;
如果一开始写成 template <class T, T N, T... Ints> struct integer_sequence_helper 的话，就会遇到错误“non-type template argument specializes a template parameter with dependent type ‘T’”（非类型的模板实参特化了一个使用依赖类型的‘T’的模板形参）。这是目前的 C++ 标准所不允许的写法，改写成嵌套类形式可以绕过这个问题。
答 2：
template <class T, T... Ints>
struct integer_sequence {};
template <class T, T N, T... Is>
auto make_integer_sequence_impl()
{
  if constexpr (N == 0) {
    return integer_sequence<
      T, Is...>();
  } else {
    return make_integer_sequence_impl<
      T, N - 1, N - 1, Is...>();
  }
}
template <class T, T N>
using make_integer_sequence =
  decltype(
    make_integer_sequence_impl<
      T, N>());
这又是一个 constexpr 能简化表达的例子。
第 19 讲并发编程中哪些情况下会发生死锁？
答：多个线程里，如果没有或不能事先约定访问顺序，同时进行可阻塞的资源访问，访问顺序可以形成一个环，就会引发死锁。
可阻塞的资源访问可能包括（但不限于）：
互斥量上的 lock 调用
条件变量上的 wait 调用
对线程的 join 调用
对 future 的 get 调用
第 27 讲你觉得 C++ REST SDK 的接口好用吗？如果好用，原因是什么？如果不好用，你有什么样的改进意见？
答：举几个可能的改进点。
C++ REST SDK 的 uri::decode 接口设计有不少问题：
最严重的，不能对 query string 的等号左边的部分进行 decode；只能先 split_query 再 decode，此时等号左边已经在 map 里，不能修改——要修改需要建一个新的 map。
目前的实现对“+”不能重新还原成空格。
换个说法，目前的接口能正确处理“/search?q=query%20string”这样的请求，但不能正确处理“/search?%71=query+string”这样的请求。
应当有一个 split_query_and_decode 接口，同时执行分割和解码。
另外，json 的接口也还是不够好用，最主要是没有使用初始化列表的构造。构造复杂的 JSON 结构有点啰嗦了。
fstream::open_ostream 缺省行为跟 std::ofstream 不一样应该是个 bug。应当要么修正接口（接口缺省参数里带上 trunc），要么修正实现（跟 std::ofstream 一样把 out 当成 out|trunc）。
第 28 讲“概念”可以为开发具体带来哪些好处？反过来，负面的影响又可能会是什么？
答：对于代码严谨、具有形式化思维的人，“概念”是个福音，它不仅可以大量消除 SFINAE 的使用，还能以较为精确和形式化的形式在代码里写出对类型的要求，使得代码变得清晰、易读。
但反过来说，“概念”比鸭子类型更严格。在代码加上概念约束后，相关代码很可能需要修改才能满足概念的要求，即使之前在实际使用中可能已经完全没有问题。从迭代器的角度，实际使用中最小功能集是构造、可复制、*、前置 ++、与 sentinel 类型对象的 !=（单一形式）。而为了满足迭代器概念，则要额外确保满足以下各点：
可默认初始化
在 iterator 类型和 sentinel 类型之间，需要定义完整的四个 == 和 != 运算符
定义迭代器的标准内部类型，如 difference_type 等
以上就是今天的全部内容了，希望能对你有所帮助！如果你有更多问题，还是请你在留言区中提出，我会一一解答。

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精选留言(4)

晚风·和煦
2020-02-13
老师，c语言可以通过哪些方式实现c++中的私有成员呢？谢谢老师😃😃😃
作者回复: 实现？不太明白你的意思了。私有只是编译时的访问控制，不是运行时的。而C完全没有编译时的访问控制的机制。
共 3 条评论
1
幻境之桥
2020-02-12
"如果内容以一般的中文文本为主，那 UTF-16 效率最高。" 这是为什么呢？中文不应该是 GBK更省空间吗？
作者回复: 问题是“哪种 UTF 编码方式空间存储效率比较高”。GBK 不能支持很多其他语言，不在考虑范围内。
共 2 条评论
1
Peter
2021-12-03
如果 pop 返回元素，而元素拷贝时发生异常的话，那这个元素就丢失了。因而容器设计成有分离的 top（或 front）和 pop 成员函数，分别执行访问和弹出的操作。～老师，想问下这个拷贝是指将POP返回的值给其他元素的时候吗？但是POP本来就是弹出元素，丢失应该也没关系的吧，有点不是很理解
作者回复: pop 返回元素，指的是 pop 同时具有返回第一个元素和将其弹出两个功能。丢失了，“返回元素”这个功能不就出问题了么？
吴咏炜
2021-03-26
第 18 讲第 2 题有一个 C++14/17 里也能接受的解，就是要先初始化数组，然后再改写其中的内容。把文中的 bit_count_t 定义改成下面的形式即可（加上“{}”）： template <size_t N> struct bit_count_t { constexpr bit_count_t() { for (auto i = 0U; i < N; ++i) { count[i] = count_bits(i); } } unsigned char count[N]{}; }; “unsigned char count[N]{};”也可以考虑改用 std::array： std::array<char, N> count{}; 使用 std::array 的话，我们可以考虑不再需要 bit_count_t 结构，因为可以让 get_bit_count 直接返回一个 std::array<char, 256>（返回 char [256] 则不可行）。
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