C++17自定义类型支持：用户定义字面量的扩展应用

# 1. C++17自定义类型支持概述

C++17为自定义类型扩展了重要的支持，它允许开发者创建与内置类型相似的用户定义字面量。这些自定义字面量为类型安全提供了新的层面，改善了可读性和易用性，同时增强了库设计者为特定领域创建领域特定语言（DSL）的能力。

## 2.1 用户定义字面量的概念

用户定义字面量，又称自定义字面量，是C++11引入的功能，它扩展了C++语言表达力，允许程序员为自己的类型定义字面量。这使得创建自定义类型实例时，可以更自然地使用字面量表示法。

### 2.1.1 字面量与类型的关系

字面量是直接在源代码中表示的值，如整数、浮点数、字符和字符串。它们与类型紧密相关，并且在编译时就能确定其值和类型。自定义字面量将这种表示法扩展到用户定义类型，通过添加后缀来创建特定类型的字面量。

### 2.1.2 C++标准中的字面量定义

在C++标准中，用户定义字面量是通过指定一个字面量后缀和一个操作符"operator"来定义的。这个操作符接收一个标准类型的字面量作为输入，并返回一个用户定义类型的实例。

### 2.2 如何定义用户字面量

用户定义字面量的定义过程涉及编写一个运算符函数，该函数可以是全局函数或者成员函数，同时需要一个独特的后缀来标识自定义字面量。

#### 2.2.1 后缀操作符的基本语法

用户定义字面量的后缀操作符是一个特殊形式的运算符"operator""后缀"，这个后缀是用户自定义的，并且可以包含字母、数字、下划线，但不能是C++语言中的关键字。函数的返回类型决定了创建的字面量类型。

UserDefinedType operator"" _udl(const char* str, size_t length);

#### 2.2.2 与标准类型字面量的结合

定义用户字面量时，需要考虑到如何与标准类型字面量相结合。通常这涉及到对输入的字符串进行解析，并创建相应的类型实例。例如，定义一个时间间隔类型时，用户可能希望直接使用"3ms"或"10s"这样的字面量。

constexpr Time operator "" _ms(const char* str) {
    // 解析字符串并创建Time实例
}

constexpr Time operator "" _s(long double val) {
    // 直接使用浮点数创建Time实例
}

通过定义，用户可以轻松地将字面量语义扩展到自定义类型，这在处理复杂类型时尤其有用。在接下来的章节中，我们将探索用户定义字面量的分类，以及在不同场景中的应用。

随着C++17的推出，对用户定义字面量的支持得到了进一步的增强，这使得我们能够利用这些特性来编写更加简洁、高效的代码。

# 2. 用户定义字面量的基础

## 2.1 用户定义字面量的概念

### 2.1.1 字面量与类型的关系

在编程语言中，字面量（Literal）是指在源代码中直接表示的值，例如整数、浮点数、字符串和字符。字面量与数据类型紧密相关，因为它们是类型的实例。C++语言从一开始就提供了大量的内置字面量定义，以支持开发者在代码中直接使用这些类型。

int number = 10;   // 整型字面量
float pi = 3.14f; // 浮点型字面量
std::string name = "Alice"; // 字符串字面量

字面量是语言表达的基础组成部分，因此它们对程序设计语言的易用性与表达能力至关重要。在C++17中，语言的扩展性允许开发者创建自定义字面量，增强了类型系统，允许为现有的类型或用户定义的类型提供更丰富直观的语法。

### 2.1.2 C++标准中的字面量定义

C++标准库定义了不同类型的字面量，其中主要包括整型字面量、浮点型字面量、字符和字符串字面量。除了这些标准字面量外，C++11之后的版本通过引入用户定义字面量扩展了标准库的边界。用户定义字面量通过为特定的类型或类型族提供字面量后缀来实现，允许开发者定义新的字面量类别。

long long int big_number = 10LL; // 自定义后缀LL表示long long int类型

## 2.2 如何定义用户字面量

### 2.2.1 后缀操作符的基本语法

用户定义字面量需要定义一个后缀操作符，这在C++11中通过在字面量后添加自定义后缀来实现。在C++17中，这一机制得到了进一步的改进与增强。定义用户字面量通常涉及创建一个具有非标准后缀的字面量，并通过一个函数来处理这个字面量。

// 定义一个整型字面量的后缀操作符
constexpr long long operator "" _ibytes(unsigned long long bytes) {
    return bytes * 1024 * 1024 * 1024; // 转换为GB
}

// 使用自定义的后缀
auto size = 256_ibytes; // 使用自定义后缀的整型字面量

### 2.2.2 与标准类型字面量的结合

用户定义的字面量后缀可以与内置的字面量类型相结合，以创建新的字面量表达方式。例如，可以创建一个用于表示时间单位的后缀，与整数结合来表示秒数。

constexpr std::chrono::duration<double, std::ratio<60>> minutes(unsigned long long m) {
    return std::chrono::duration<double, std::ratio<60>>(m);
}

// 使用自定义时间字面量
auto work_time = 15_minutes; // 15分钟

## 2.3 用户定义字面量的分类

### 2.3.1 整型字面量

整型字面量是最基础的字面量类型，C++17允许开发者为整型字面量提供新的后缀。

constexpr int operator "" _magic(unsigned long long val) {
    return val * val; // 自定义操作，例如计算平方
}

auto magic_number = 4_magic; // 自定义整型字面量

### 2.3.2 浮点型字面量

浮点型字面量可以用于表示实数，用户定义的后缀允许开发者增加额外的语义，例如用于表示特定的度量单位。

constexpr double operator "" _degrees(unsigned long long deg) {
    return deg * 3.*** / 180.0;
}

auto angle_in_radians = 90_degrees; // 90度转为弧度

### 2.3.3 字符串字面量

字符串字面量可以用来表示文本，C++中提供了自定义字符串字面量的方式来增强类型安全和易用性。

constexpr std::string operator "" _str(const char *s, size_t size) {
    return std::string(s); // 自定义字符串字面量操作
}

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