C++14用户定义字面量：4步打造自定义字面量，优化代码表达

# 1. C++14用户定义字面量概览

## 1.1 用户定义字面量的含义

C++14标准引入了用户定义字面量的概念，允许开发者为自定义类型创建新的字面量表示形式。这使得在表达式中使用自定义类型更为直观和方便。用户定义字面量通常通过重载后缀操作符实现，它们在语法上表现为基本字面量后附加一个自定义后缀。

// 示例代码
auto x = 123_km; // 用户定义的千米字面量

## 1.2 用户定义字面量的优势

通过用户定义字面量，程序员可以为他们的类型提供一种自然的、语言内置的语法糖。这样不仅提升了代码的可读性和易用性，而且还可以将复杂的对象初始化隐藏在简洁的字面量之后，从而实现更加高效的编码实践。

## 1.3 用户定义字面量的应用场景

用户定义字面量特别适用于那些需要特别表达单位和量度的领域，比如财务计算（货币单位）、物理测量（长度单位）、时间度量等。通过字面量的定义，可以避免在表达式中显式地编写大量构造代码，使得表达式更加简洁。

// 示例代码
auto duration = 42_min; // 用户定义的分钟字面量

## 1.4 小结

本章我们介绍了C++14用户定义字面量的基础概念、优势以及应用场景。在接下来的章节中，我们将深入学习如何构建基础用户定义字面量，并探索它们在不同场景中的应用。

# 2. 构建基础用户定义字面量

### 用户定义字面量的构成元素

#### 后缀操作符的声明和定义

用户定义字面量（User-Defined Literals）是C++11及以后版本中的一项特性，它允许开发者扩展语言中的字面量，比如将字符串"42"定义为特定类型实例。用户定义字面量的构成包括一个后缀操作符以及与之相关的字面量操作符函数。这些操作符函数可以是普通的非成员函数，也可以是成员函数。

让我们来看一个简单的例子，如何声明并定义一个以`_kg`为后缀的用户定义字面量，它将一个数字字面量转换为千克单位的质量类型：

constexpr long double operator "" _kg(long double value) {
    return value;
}

在上面的代码中，我们定义了一个接受`long double`类型参数的字面量操作符函数。通过在函数名前加上`operator ""`，我们告诉编译器这是一个字面量操作符，并且`_kg`是我们为其声明的后缀。

#### 字面量操作符的重载规则

重载字面量操作符需要遵循C++语言规则。字面量操作符可以是以下两种形式之一：

- 非成员函数，具有内部链接（internal linkage），通常使用`constexpr`限定符。
- 类的成员函数，如果是类成员函数，其第一个参数必须是一个类型为`unsigned long long`、`long double`、`const char*`、`char*`或`wchar_t*`的引用，分别对应整数字面量、浮点字面量、原始字符串字面量、宽字符串字面量的处理。

这里给出一个浮点字面量操作符重载的示例：

struct MyType {
    MyType(long double val) { /* ... */ }
};

// 非成员函数版本
constexpr MyType operator ""_myType(long double val) {
    return MyType(val);
}

// 类成员函数版本
class MyType2 {
public:
    MyType2(long double val) { /* ... */ }
};

// 重载用户定义字面量，必须声明为静态成员函数
constexpr MyType2 operator ""_myType2(long double val) {
    return MyType2(val);
}

### 字面量操作符的参数类型

#### 标准类型参数的处理

字面量操作符可以重载来处理标准类型，如`int`、`long`、`double`等。当这些操作符被重载时，它们的参数类型通常都是固定的，并且操作符函数的作用通常是将字面量转换为更复杂的类型。

例如，创建一个可以将整数字面量转换为枚举类型`Color`的操作符：

enum class Color {
    Red,
    Green,
    Blue
};

constexpr Color operator "" _color(unsigned long long int val) {
    switch(val) {
        case 1: return Color::Red;
        case 2: return Color::Green;
        case 3: return Color::Blue;
        default: throw std::out_of_range("Invalid color value");
    }
}

在这个例子中，我们为枚举类型`Color`声明了一个用户定义字面量`_color`，它接受一个`unsigned long long int`类型的参数。

#### 自定义类型参数的处理

对于自定义类型，用户定义字面量操作符的重载通常用于创建类型安全的字面量。我们来看一个创建复数类的自定义类型参数的例子：

struct Complex {
    double real;
    double imag;
    Complex(double r, double i) : real(r), imag(i) {}
};

constexpr Complex operator "" _i(long double val) {
    return Complex(0, static_cast<double>(val));
}

constexpr Complex operator "" _i(const char* str) {
    return Complex(std::stod(str), 0);
}

在这个例子中，我们为`Complex`类创建了两个字面量操作符。第一个接受一个`long double`类型的字面量，用于创建纯虚数。第二个接受一个字符串字面量，用于创建复数。

### 用户定义字面量的作用域和生命周期

#### 全局字面量操作符的影响

用户定义的字面量操作符，如果被定义为非成员函数，它将具有全局作用域。这可以被看作是扩展了语言的字面量系统，因为它允许在任何地方使用新的字面量后缀。然而，由于它们具有全局作用域，全局字面量操作符可能会导致命名冲突。因此，当编写库时，必须特别小心，以避免与用户或其他库定义的后缀产生冲突。

// 全局作用域中的字面量操作符定义
constexpr std::string operator "" _str(const char* str, size_t len) {
    return std::string(str, len);
}

在这个例子中，我们定义了一个可以将原始字符串字面量转换为`std::string`类型的全局字面量操作符`_str`。

#### 类内字面量操作符的特例

当字面量操作符作为类的静态成员函数定义时，它们的作用域被限定在类内。这意味