C++中typedef和类型别名

程序员文章站 2024-03-23 12:36:58

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在日常的开发编码中，偶尔会遇到一些看似简单的一些知识点，在一般的使用过程中并不觉得有什么问题，但是一旦出现在某些相对复杂的场景下，就会发现自己仍然存在使用上的一些盲区。有点类似于我们背单词的情况，一般只知道单词常用的意思，在某些语句中当单词使用它不常用的释义时，就感觉难以理解，需要重新查阅。

C++ typedef的使用看似十分简单和常用，但是仔细研究一下发现还是有许多需要了解的点，本文主要记录一下学习需要注意的细节。

1. 语法和使用场景

typedef是C/C++语言中保留的关键字，用来定义一种数据类型的别名。需要注意的是typedef并没有创建新的类型，只是指定了一个类型的别名而已。typedef定义的类型的作用域只在该语句的作用域之内，也就是说如果typedef定义在一个函数体内，那么它的作用域就是这个函数。

typedef经常使用的场景包括以下几种：

指定一个简单的别名，避免了书写过长的类型名称
实现一种定长的类型，在跨平台编程的时候尤其重要
使用一种方便阅读的单词来作为别名，方便阅读代码

针对上面描述的情况做一个简单的说明：

1.1 减少书写类型的长度

这一使用方式比较常见的就是在C语言中定义结构体，在C语言中定义结构体的方式如下：（包含3种）

///第一种方式
struct MyStruct {
    int data1;
    char data2;
};
//之后定义变量
struct MyStruct a, b;

///第二种方式（声明的同时定义）
struct MyStruct {
    int data1;
    char data2;
}a, b;

///第三种方式（不需要提供结构体名字，直接定义）
struct {
    int data1;
    char data2;
}a, b;

为了简化书写，可以使用typedef来简化（这种方式在Windows API中非常的常见，使用过Win32 API编程的读者应该深有体会），比如Windows定义四边形区域RECT结构的代码：

typedef struct _RECT {
  LONG left;
  LONG top;
  LONG right;
  LONG bottom;
} RECT, *PRECT;

使用typedef之后，可以将上面的代码修改为：

///第一种情况
struct MyStruct {
    int data1;
    char data2;
};
typedef struct MyStruct newtype;
newtype a, b;

///第二种情况
typedef struct MyStruct {
    int data1;
    char data2;
} newtype;
newtype a, b;

///第三种情况
typedef struct {
    int data1;
    char data2;
} newtype;
newtype a, b;

需要注意的是上面描述的是C语言的使用方法，在C++中定义struct之后再次声明变量时，不需要使用struct关键字。

1.2 实现一种定长的类型

在C/C++中并没有规定int类型的长度，因此在不同的机器上很有可能表示int类型变量所占用的字节数是不同的，这样有时候会带来一些问题。为了解决这些问题，很多时候可以定义一个固定大小的类型（比如32位的Int类型）Int32，用来表示固定长度的整型。这样在任意的机器上都可以使用这个Int32的类型，保证它的长度是固定的32位（至于它底层使用的真正类型，会根据具体机器上使用对应的类型），在OpenGL中就采用了这种方式，定义了许多固定大小的整型，如下图所示：

C++中typedef和类型别名

1.3 实现一种有意义可读的别名

例如下面这段代码，速度和分数都是使用int类型来表示，函数调用的时候传入的也是整型，把速度变量传入到原本接收成绩的参数，并不会有错误。

int current_speed ;
int high_score ;

void congratulate(int your_score) {
    if (your_score > high_score)
        ...
}

为了区别开这两种类型（只是从阅读代码者角度来看，对编译器来说二者并无不同），可以使用typedef来定义两个不同的别名：

typedef int km_per_hour ;
typedef int points ;

km_per_hour current_speed ; 
points high_score ; 

void congratulate(points your_score) {
    if (your_score > high_score)
        ...
}

这样代码阅读起来更加清晰一些。
另外需要注意的是：当使用typedef定义了points（km_per_hour)为int类型，在使用int类型定义的时候都可以使用这两个别名来替换，但并不是二者可以完全替换，当定义unsigned int等类型时，使用points（km_per_hour)替换int是错误的。

    unsigned int a;         // Okay
    unsigned km_per_hour b; // 编译报错
    long int c;             // Okay
    long km_per_hour d;     // 编译报错

2. 其他情况下typedef的使用

typedef在定义复杂类型时，有时候会变得难于理解，有很多时候这些使用方式看起来并没有什么严格上的逻辑可言，需要使用者自己熟悉。

2.1 定义指针

定义指针的方式如下所示：

        //语法： typedef  指针类型  别名
        typedef  char*  CHARS；

这行代码定义了 CHARS是一个char类型的指针，也就是说CHARS的类型是char*。

当引入指针的修饰符之后，情况立刻变得复杂起来，以const关键字为例，在C++中const用来描述一个变量是“常量”，当用来修饰指针的时候它的含义有两种：

指针自己是常量，指针不能被修改（在C++11种被称为 Top-Level const）
指针指向的变量是常量，指针指向的变量不能修改（在C++11种被称为Low-Level const）

下面三个变量分别了这几种指针：

    const double pi = 3.1415;
    double p = 3.0;

    const double * ptoConst = &pi;   //指向const double的指针（ptoConst可以指向其他const变量）
    double * const constp = &p;      //指向double类型的常量指针（可以解引用修改p的值）
    const double * const constptoconst = &pi; //指向const double类型的const指针

在C++ templates一书中的前言部分，提到了下面几种typedef的定义：

typedef char* CHARS; 
typedef CHARS const CPTR_1;
typedef char* const CPTR_2;
typedef const CHARS CPTR_3;
typedef const char* CPTR_4;

以上这几个变量表示的含义依次是：
1. CHARS == char*
2. CPTR_1 == char* const [Top-Level const]
3. CPTR_2 == char* const [Top-Level const]
4. CPTR_3 == char* const [Top-Level const]
5. CPTR_4 == char const * (const char *) [Low-Level const]

如何知道这些类型到底是什么，只需要抓住几点：
1. typedef 并不是#define，不能简单的替换字符来理解
2. typedef 将中间变量类型作为一个整体来看，也就是：typederf xxx 别名，这里面xxx如果包含修饰符，那么修饰符要整体看待，也就是整个xxx才是一种类型。（以CPTR_3为例，CHARS是指针类型，那么给它加上const，也就是整体xxx是 const类型的指针，于是CPTR_3的释义是：const类型的char*指针（指针是const类型的：Top-Level const）

C++ templates一书中提倡将 const修饰的变量写在 const 所修饰的变量前面，也就是：

//const的变量是int类型的
const int i = 10;
int const i = 10; //(推荐写法）

//const的变量是int*类型的
int* const pi = &i;//（int*是const的，也就是说是指针是const，Top-Level const）

//指向const int的指针 [Low-Level const]
int const *pi = &i;//（推荐写法）
const int *pi = &i;

它认为如果这样去书写，那么在有const参与typedef的时候可以用简单的替换就能表达类型的含义。（参考CPTR_1和CPTR_2）。我们也可以这样去做，但是有许多代码都习惯用const T* 来表示Low-Level const，在阅读代码的时候理解就可以了。

2.2 定义数组

使用typedef定义数字，使用下面的语法：

typedef char arrType[6];  //arrType是一个包含6个参数的数组类型

我个人在学习过程中经常写错成： typedef char[6] arrType; 这种写法是不对的，定义数组在C/C++中使用的是：
int s[6]；而不是 int[6] s;

2.3 定义函数指针

typedef在C/C++中还有一个非常常见的使用场景是定义函数指针，语法如下：

typedef int (*MathFunc)(float, int);

定义了一个MathFunc类型的函数指针，这个函数返回值是int类型，包含两个参数(float，int）
基本上函数指针了解这种语法结构就可以了，大部分的函数指针都类似。

2.4 更加复杂的定义

在typdef可以定义更加复杂的类型，这种情况遇到的不是很多，有时候多层的嵌套会将代码演变的异常复杂，可读性变差。虽然不推荐这么写，但是对于他人写的代码要能理解。关于复杂定义的方式可以阅读参考文献6中的描述：

理解复杂声明可用的“右左法则”：从变量名看起，先往右，再往左，碰到一个圆括号就调转阅读的方向；括号内分析完就跳出括号，还是按先右后左的顺序，如此循环，直到整个声明分析完。举例：
int (*func)(int *p);  
首先找到变量名func，外面有一对圆括号，而且左边是一个*号，这说明func是一个指针；然后跳出这个圆括号，先看右边，又遇到圆括号，这说明(*func)是一个函数，所以func是一个指向这类函数的指针，即函数指针，这类函数具有int*类型的形参，返回值类型是int。
int (*func[5])(int *);  
func右边是一个[]运算符，说明func是具有5个元素的数组；func的左边有一个*，说明func的元素是指针（注意这里的*不是修饰func，而是修饰func[5]的，原因是[]运算符优先级比*高，func先跟[]结合）。跳出这个括号，看右边，又遇到圆括号，说明func数组的元素是函数类型的指针，它指向的函数具有int*类型的形参，返回值类型为int。

3. C++11下新的选择（使用using定义别名）

C++11 中扩展了using的使用场景（C++11之前using主要用来引入命名空间名字如：using namespace std；），可以使用using定义类型的别名：
使用语法如下：

using 别名 = xxx(类型）;

通过语法可以看出，using声明别名的顺序和typedef是正好相反：typedef首先是类型，接着是别名，而using使用别名作为左侧的参数，之后才是右侧的类型，例如上面的类型定义：

    typedef int points;
    using points = int; //等价的写法

在定义诸如函数指针等类型时，使用using的方式更加自然和易读：

typedef void (*FP) (int, const std::string&);
using FP = void (*) (int, const std::string&); //等价的using别名

另外using可以在模板别名中使用，但是typedef不可以：

template <typename T>
using Vec = MyVector<T, MyAlloc<T>>;

// usage
Vec<int> vec;

若使用typedef的方式改写如下：

template <typename T>
typedef MyVector<T, MyAlloc<T>> Vec;

// usage
Vec<int> vec;

当你使用编译器编译的时候，将会得到类似：error: a typedef cannot be a template的错误信息。

那么，为什么typedef不可以呢？在 n1449 中提到过这样的话：”we specifically avoid the term “typedef template” and introduce the new syntax involving the pair “using” and “=” to help avoid confusion: we are not defining any types here, we are introducing a synonym (i.e. alias) for an abstraction of a type-id (i.e. type expression) involving template parameters.” 所以，我认为这其实是标准委员会他们的观点与选择，在C++11中，也是完全鼓励用using，而不用typedef的。

那么，如果我们想要用typedef做到这一点，应该怎么办呢？如Meyers所述以及一些STL的做法，那就是包装一层，如:

template <typename T>
struct Vec
{
  typedef MyVector<T, MyAlloc<T>> type;
};

// usage
Vec<int>::type vec;

正如你所看到的，这样是非常不漂亮的。而更糟糕的是，如果你想要把这样的类型用在模板类或者进行参数传递的时候，你需要使用typename强制指定这样的成员为类型，而不是说这样的::type是一个静态成员亦或者其它情况可以满足这样的语法，如：

template <typename T>
class Widget
{
  typename Vec<T>::type vec;
};

然而，如果是使用using语法的模板别名，你则完全避免了因为::type引起的问题，也就完全不需要typename来指定了。

template <typename T>
class Widget
{
  Vec<T> vec;
};

一切都会非常的自然，所以于此，非常推荐using，而非typedef。

归根到底就是一句话，在C++11中，请使用using，而非typedef，如标准中7.1.3.2 所述：

A typedef-name can also be introduced by an alias-declaration. The identifier following the using keyword becomes a typedef-name and the optional attribute-specifier-seq following the identifier appertains to that typedef-name. It has the same semantics as if it were introduced by the typedef specifier. In particular, it does not define a new type and it shall not appear in the type-id.

它可以完成typedef能完成的，并且可以做的更多，如你所见的模板别名。

参考文献

Wikipedia typedef

结构体

typedef和const之间的trap

C++ typedef interpretation of const pointers

[C++ templates: The Complete Guide –1.4 Some Remarks About Programming Style
]

关于typedef的用法总结

蓝色的味道知乎：Effective Modern C++ Note 02

C++中typedef和类型别名

1. 语法和使用场景

1.1 减少书写类型的长度

1.2 实现一种定长的类型

1.3 实现一种有意义可读的别名

2. 其他情况下typedef的使用

2.1 定义指针

2.2 定义数组

2.3 定义函数指针

2.4 更加复杂的定义

3. C++11下新的选择（使用using定义别名）

参考文献

C++中typedef和类型别名

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