結(jié)構(gòu)化綁定是C++17新增的語法，適當(dāng)使用能極大地提升編程體驗。結(jié)構(gòu)化綁定將引入的標(biāo)識符綁定到對象的元素或成員上。很多人將結(jié)構(gòu)化綁定視為引用的語法糖，誠然它們有許多相似之處，但二者在語義上還是有很多不同的地方。

對象、引用、結(jié)構(gòu)化綁定是C++中三個相互關(guān)聯(lián)但是彼此并列的概念，它們都是程序中的實體。

1. 綁定到數(shù)組的元素

首先，結(jié)構(gòu)化綁定能夠綁定到數(shù)組的元素上：

在這段代碼中，定義了?a?b?c?三個結(jié)構(gòu)化綁定。通過?printf?可以觀察到它們的值分別是?1?2?3，對應(yīng)數(shù)組arr的三個元素。

實際上在這個過程中編譯器幫我們干了下面的事：首先，引入一個匿名變量，在這里我們叫它_unnamed_，它的各個元素從?arr?復(fù)制初始化。然后，將結(jié)構(gòu)化綁定引入的三個名字分別綁定到這個匿名數(shù)組的三個元素上。

需要注意的是，這里的引用僅僅表示一種綁定關(guān)系，即?a?綁定到_unnamed_[0]，并不代表?a?是個引用。例如，我們直接定義一個引用?int &ra = arr[0]?，那么?decltype(ra)?會得到?int&，而結(jié)構(gòu)化綁定的聲明類型是不帶引用的：decltype(a)?得到的是?int。

那么如何證明上述匿名變量的存在，并且真的發(fā)生了復(fù)制呢？一個簡單的辦法是修改?a?的值，arr[0]?并不會隨之變化，說明?a?和?arr[0]指代的兩個不同的對象。當(dāng)然還有更直觀的辦法，那就是自定義類的復(fù)制構(gòu)造函數(shù)。

運(yùn)行上述代碼，我們很能夠觀察到程序輸出下列內(nèi)容：

分割線之前是數(shù)組?arr?的三個元素從?int?直接初始化的輸出，分割線之后是結(jié)構(gòu)化綁定過程中匿名數(shù)組各個元素的復(fù)制構(gòu)造的輸出。并且復(fù)制的對象的地址也能一一對應(yīng)。

但是，這只能證明發(fā)生了復(fù)制，還不足以證明這個匿名變量的存在。編譯器完全可以省略匿名變量，直接從數(shù)組的三個元素復(fù)制初始化三個變量，并且還可以避免前文提到的看起來像引用，卻又不是引用的綁定。

2. 綁定到數(shù)據(jù)成員

讓我們帶著這個問題來看看下面這段代碼：

程序的輸出如下：

可以看到，這里只調(diào)用了一次B的復(fù)制構(gòu)造，說明這個匿名變量確實存在。

和數(shù)組類似，結(jié)構(gòu)化綁定可以綁定到類的非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員。當(dāng)然并不是每一種類都可以被結(jié)構(gòu)化綁定，它必須有如下性質(zhì)：

1. 它所有的非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員在當(dāng)前語境中可訪問。

2. 它所有的非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員都是它自己，或者同一個基類的直接成員。

結(jié)構(gòu)化綁定并不要求成員必須有?public?訪問權(quán)限，只要在當(dāng)前語境中可以訪問所有成員即可。

第二點似乎不太直觀，我們通過兩個例子來說明一下：

我們從?A?派生出?B?和?C?兩個類。其中?B?沒有增加任何數(shù)據(jù)成員，它可能只添加了一些成員函數(shù)擴(kuò)展了?A?的功能，這在開發(fā)中也是很常見的手法。那么對于?B?來說，它所有的非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員都是從基類?A?繼承而來的，因此?B?符合結(jié)構(gòu)化綁定的要求。而?C?則增加了一個數(shù)據(jù)成員，因此不滿足第二條性質(zhì)。

3. 結(jié)構(gòu)化綁定中的限定符

左值引用限定符

剛才我們見到的結(jié)構(gòu)化綁定都有一個復(fù)制的過

程，會產(chǎn)生一個匿名對象。有時候復(fù)制的開銷會比較大，我們當(dāng)然想避免不必要的復(fù)制。于是我們可以為結(jié)構(gòu)化綁定添加一個引用限定符，以引用的方式綁定到相應(yīng)的對象上。

還記得剛剛說過結(jié)構(gòu)化綁定過程中的匿名變量嗎？它再一次派上大用場了。如果結(jié)構(gòu)化綁定聲明中包含引用限定符，那么這個引入的匿名變量就是一個引用！

引用?_unnamed_?綁定到?arr，而?a?又綁定到?_unnamed_[0]，也就是說?a?直接綁定到了?arr[0]?上。b?和?c?同理。再一次強(qiáng)調(diào)，即使添加了引用限定符，結(jié)構(gòu)化綁定也不是引用，decltype(a)?仍然是?int?而不是?int&。這里的引用只是為了表達(dá)綁定關(guān)系。

定義引用不會產(chǎn)生可觀察的副作用，我們也就無法直接證明這個匿名變量確實是引用。當(dāng)然我們還是可以從側(cè)面來應(yīng)證它，比如說左值引用不能綁定到右值。

cv限定符

很自然地，你會想到用右值引用來綁定到右值表達(dá)式，但別忘了const限定的左值引用，它們也可以綁定到右值。

加上?const?限定之后，我們就不能修改這些結(jié)構(gòu)化綁定的值了。在需要的時候加上?const?能讓我們的程序更加安全。

既然是cv限定符，自然還有?volatile。我們稍微提一下，這個限定符實際上很少用到，甚至在C++20中棄用了大部分語境中的?volatile?限定，包括結(jié)構(gòu)化綁定。你仍然可以寫，但編譯器可能會發(fā)出警告。volatile?是另一個很大的話題，并且涉及到很多實現(xiàn)上的細(xì)節(jié)，這里就不展開講了。

右值引用限定符

實際上在結(jié)構(gòu)化綁定中說“右值引用”限定符并不準(zhǔn)確，畢竟前面還有一個?auto?占位符呢。auto&&?是不是右值引用可說不準(zhǔn)，讓我們來復(fù)習(xí)一下。

在上面的示例代碼中，auto&& lref = i?會進(jìn)行類型推導(dǎo)，由于初始化器i是個左值，推導(dǎo)出?auto -> int&?再經(jīng)過引用折疊?int& && -> int&?最終得到?lref?是個左值引用。

結(jié)構(gòu)化綁定引入的匿名變量也是如此，如果引用限定符是?&&?那么匿名變量的類型就會根據(jù)這一規(guī)則自動推導(dǎo)，這也是?auto&&?被稱為萬能引用的原因。

存儲類說明符（C++20起）

從C++20開始，你可以為結(jié)構(gòu)化綁定加上?static?或者?thread_local?這兩個存儲類說明符，它們同樣是作用在引入的匿名變量上。

使用這兩個說明符的時候要注意，如果再加上引用限定符，綁定到某個局部變量上，很容易產(chǎn)生懸垂引用。這與普通的靜態(tài)變量規(guī)則是相同的。

4. 初始化器

上面的代碼中我們一直都是使用等于號形式的初始化器。實際上結(jié)構(gòu)化綁定還允許花括號和圓括號初始化。大多數(shù)情況下，它們區(qū)別不大。唯一的區(qū)別在于初始化匿名變量的時候，等于號的形式使用復(fù)制初始化，而花括號或者圓括號的形式使用直接初始化。復(fù)制初始化不考慮?explicit?構(gòu)造函數(shù)。

5. 綁定到元組式類型的元素

結(jié)構(gòu)化綁定還能綁定到例如?std::tuple?或者?std::pair，甚至?std::array?這些類型上。但仔細(xì)想想，就會發(fā)現(xiàn)事情并沒有那么簡單。pair?還能用下面這個形式強(qiáng)行解釋一下，結(jié)構(gòu)化綁定是綁定到它的兩個數(shù)據(jù)成員上。

但?tuple?呢？它有公開可訪問的數(shù)據(jù)成員嗎？標(biāo)準(zhǔn)庫似乎沒有提供給我們。訪問?tuple?的元素必須通過?std::get?函數(shù)。如果你了解一點模板元編程，那你應(yīng)該知道?tuple?通常是用模板遞歸繼承的方式實現(xiàn)的，它的數(shù)據(jù)成員分布在一層一層的基類里。這明顯是不符合結(jié)構(gòu)化綁定綁定到數(shù)據(jù)成員的要求的。

再說說?std::array，雖然它名字就叫?array，長的像數(shù)組，用起來也像數(shù)組，但它畢竟不是數(shù)組，std::is_array<std::array<int,3>>::value肯定是?false。

那么結(jié)構(gòu)化綁定是如何實現(xiàn)的呢？其實，C++為我們提供了一套精fù妙zá
的機(jī)制，可以自定義結(jié)構(gòu)化綁定規(guī)則，我們通常叫它元組式綁定。

如果你只是使用標(biāo)準(zhǔn)庫提供的這些元組式類型，那么不必?fù)?dān)心：就把std::pair和std::tuple當(dāng)成所有成員都能公開訪問的結(jié)構(gòu)體，把std::array當(dāng)成普通的數(shù)組。標(biāo)準(zhǔn)庫已經(jīng)給你實現(xiàn)好了相關(guān)的細(xì)節(jié)，不了解這套機(jī)制的工作原理也不影響你使用。

使用例：

程序輸出：

如果你對其中的細(xì)節(jié)感興趣，或者想要給你寫的類實現(xiàn)自定義結(jié)構(gòu)化綁定，就讓我們開始吧。

首先，編譯器會檢查結(jié)構(gòu)化綁定的初始化表達(dá)式的類型，我們暫時稱它為?T。如果?T?是數(shù)組類型，那就按照前文所述的規(guī)則綁定到數(shù)組元素。否則，編譯器就會檢查?std::tuple_size<T>::value?是否是一個合法整數(shù)類型的常量表達(dá)式。如果它是，那就進(jìn)行元組式綁定。否則，就按照前文所述的規(guī)則綁定到?T?的數(shù)據(jù)成員。

std::tuple_size?是標(biāo)準(zhǔn)庫中聲明的一個類模板，此外，標(biāo)準(zhǔn)庫還提供了針對?std::pair，std::tuple，std::array?的特化。

上述代碼只是實現(xiàn)?std::tuple_size?特化的方式之一，僅作為示例。如果你要給自定義類型實現(xiàn)結(jié)構(gòu)化綁定，第一步就是寫一個相應(yīng)的?std::tuple_size?特化。它必須包含一個靜態(tài)的整數(shù)常量成員，名字為?value。它的值必須是正整數(shù)，表示可以結(jié)構(gòu)化綁定的元素的數(shù)量，如果它的值和[ 標(biāo)識符列表 ]的數(shù)量不相等，則編譯器會報錯。慣例上將它的類型設(shè)定為?size_t，但任意整數(shù)類型都是可以的。

然后，編譯器同樣會引入一個匿名變量來保存初始化表達(dá)式的值。我們以std::tuple為例看看下面的代碼：

auto [i,c,d] = std::make_tuple(1, '2', 3.0);auto _unnamed_ = std::make_tuple(1, '2', 3.0);

為了將結(jié)構(gòu)化綁定中的標(biāo)識符綁定到某個對象，編譯器還會為每一個標(biāo)識符引入一個新的變量。它的類型是?std::tuple_element<0, T>::type的引用。如果它對應(yīng)的初始化表達(dá)式的值類別是左值，那么它是左值引用，否則，它是右值引用。它對應(yīng)的初始化表達(dá)式的形式見后文詳述。

這也就意味著，為了實現(xiàn)自定義結(jié)構(gòu)化綁定，我們還需要自己實現(xiàn)相應(yīng)的?std::tuple_element?特化。它有兩個模板參數(shù)，第一個參數(shù)是一個整數(shù)，表示結(jié)構(gòu)化綁定的標(biāo)識符的序號，從0開始遞增；第二個參數(shù)是你的自定類型。以?std::pair?為例，看看?std::tuple_element?的自定義特化要怎么寫：

針對?std::tuple?的特化實現(xiàn)起來較為復(fù)雜，需要用到模板遞歸繼承，這里就不作展示了。感興趣的讀者可以自行查找資料，或者翻看STL的源代碼。

總結(jié)來說，std::tuple_element<I, T>::type表示了類型?T?的第?I?個可綁定元素的類型。

有了類型，為每個結(jié)構(gòu)化綁定引入了額外的引用變量之后，接下來就要對這些變量進(jìn)行初始化了，畢竟引用必須在定義的時候就初始化。首先，編譯器會去找類型?T?是否有名為?get?的成員函數(shù)模板，并且?get?的第一個模板參數(shù)是非類型模板參數(shù)。如果找到這樣的成員，那么就調(diào)用?_unnamed_.get<I>()?來初始化第I個變量。如果沒有這樣的成員，就調(diào)用?get<I>(_unnamed_)來初始化，并且查找?get?的過程只進(jìn)行實參依賴查找(ADL, Argument Dependent Lookup)，不考慮其他形式。

另外，在調(diào)用?get?的時候，如果匿名變量?_unnamed_?的類型是左值引用，則調(diào)用過程中它保持為左值；否則將它轉(zhuǎn)換到亡值再調(diào)用。也就是說如果get同時存在接受左值引用和右值引用的重載時，前者調(diào)用左值引用的版本，而后者調(diào)用右值引用的版本，這實際上類似于完美轉(zhuǎn)發(fā)。

最后，將結(jié)構(gòu)化綁定引入的標(biāo)識符綁定到額外引入的這些變量所指代的對象上。

最后，我們通過一個例子來看看完整的自定義結(jié)構(gòu)化綁定過程。考慮如下場景：標(biāo)準(zhǔn)庫在常用數(shù)學(xué)函數(shù)庫中提供了?div_t div(int, int)?函數(shù)。它計算兩個整數(shù)相除得到的商和余數(shù)，并通過一個結(jié)構(gòu)體返回。但是標(biāo)準(zhǔn)并未規(guī)定結(jié)構(gòu)體?div_t?兩個成員的順序，因此直接綁定到數(shù)據(jù)成員可能會導(dǎo)致順序不對，于是我們可以為它定義一套元組式的綁定方式，讓第一個變量始終綁定到商，而第二個變量始終綁定到余數(shù)。

首先，我們需要為?std::tuple_size<T>?寫一個特化。此處的?std::tuple_size<div_t>::value?即結(jié)構(gòu)化綁定能綁定的成員的數(shù)量，因此我們將它設(shè)置為2。

然后，我們需要為?std::tuple_element?這個模板類寫一些特化，用于確定各個元素的類型。div_t?只有兩個成員，我們直接寫兩個全特化即可。

最后，我們需要寫一個?get?函數(shù)，用來綁定匿名變量的各個元素。此處的constexpr if也是C++17的新特性，它的條件表達(dá)式必須是一個編譯期常量，因此它會在編譯期就能根據(jù)條件選擇相應(yīng)的分支，直接將另一個分支刪除，有點類似于預(yù)處理指令?#ifdef-#else-#endif?的效果。

對于我們這個簡單的例子constexpr if并不是必須的，因為這里的if兩個分支返回的類型是相同的。如果if兩個分支返回不同的類型，就可以通過constexpr if消除不需要的分支，保證編譯能夠通過。

完整的示例代碼如下：

完整語法

存儲類說明符?:（C++20起）

static
thread_local

cv限定符?:

const
volatile（C++20起棄用）
const volatile（C++20起棄用）

引用限定符?:

&
&&

初始化器?:

=初始化表達(dá)式
{初始化表達(dá)式}
(初始化表達(dá)式)

結(jié)構(gòu)化綁定聲明?:

存儲類說明符????cv限定符????auto?引用限定符????[標(biāo)識符列表]?初始化器?;

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