10-7 类型定义与类型别名
typedef和type aliases均称呼类型别名
| 英文 | 专业翻译 | 示例 |
|---|---|---|
| typedef | 类型定义 | typedef unsigned int uint; |
| type aliases | 类型别名 | using uint = unsigned int; |
类型别名
在C++中，using是创建现有数据类型别名的关键字。创建类型别名时，需使用 using 关键字，后接别名名称，再接等号及原始数据类型。例如：
using Distance = double; // define Distance as an alias for type double
定义后，类型别名可在任何需要数据类型的地方使用。例如，我们可以创建一个使用别名名称作为类型的变量：
Distance milesToDestination{ 3.4 }; // defines a variable of type double
当编译器遇到类型别名名称时，会将其替换为别名对应的类型。例如：
#include <iostream>
int main()
{
using Distance = double; // define Distance as an alias for type double
Distance milesToDestination{ 3.4 }; // defines a variable of type double
std::cout << milesToDestination << '\n'; // prints a double value
return 0;
}
此代码输出：
在上例程序中，我们首先将Distance定义为double类型的别名。
接着定义名为milesToDestination的变量，其类型为别名Distance。由于编译器知晓Distance是类型别名，故会使用其别名类型double。因此milesToDestination变量实际编译为double类型变量，并在所有方面表现为double类型。
最后输出milesToDestination的值，其显示为double类型数值。
对于进阶读者
类型别名同样支持模板化，详见第13.14节——类模板参数推导（CTAD）与推导指南。
类型别名命名规范
历史上，类型别名的命名方式缺乏统一性。常见有三种命名约定（你将同时遇到这三种）：
- 以“_t”后缀结尾的类型别名（“_t”是“type”的缩写）。标准库常采用此约定为全局作用域类型命名（如size_t和nullptr_t）。
该约定源自C语言，曾是自定义类型别名（有时也用于其他类型）的首选方案，但在现代C++中已逐渐失宠。需注意POSIX系统将“_t”后缀保留给全局作用域类型名，因此在POSIX系统中使用此约定可能引发类型命名冲突。
- 以“_type”结尾的类型别名。部分标准库类型（如std::string）采用此约定为嵌套类型别名命名（例如std::string::size_type）。
但许多此类嵌套类型别名完全不使用后缀（例如std::string::iterator），因此这种用法最多只能说是参差不齐。
- 不使用后缀的类型别名。
现代 C++ 中，自定义类型别名（或其他类型）的命名惯例是首字母大写且不使用后缀。大写字母有助于区分类型名与变量/函数名（后者首字母小写），并避免命名冲突。
采用此命名规范时，常见用法如下：
void printDistance(Distance distance); // Distance is some defined type
此处Distance是类型名，distance是形参名。由于C++区分大小写，此用法并无问题。
最佳实践
类型别名命名应以大写字母开头且不使用后缀（除非有特殊原因）。
作者注
本教程系列中后续部分仍会使用“_t”或“_type”后缀。欢迎在相关课程下留言，以便我们将其调整为符合最佳实践的规范。
类型别名并非独立类型
别名实际上并未定义新的独立类型（即与其他类型分离的类型），它只是为现有类型引入了新的标识符。类型别名与被别名的类型完全互换。
这使得某些语法正确但语义无意义的操作成为可能。例如：
int main()
{
using Miles = long; // define Miles as an alias for type long
using Speed = long; // define Speed as an alias for type long
Miles distance { 5 }; // distance is actually just a long
Speed mhz { 3200 }; // mhz is actually just a long
// The following is syntactically valid (but semantically meaningless)
distance = mhz;
return 0;
}
尽管概念上我们期望 Miles 和 Speed 具有不同含义，但二者本质上都是 long 类型的别名。这意味着 Miles、Speed 和 long 完全可以互换使用。事实上，当我们将类型为Speed的值赋给类型为Miles的变量时，编译器仅识别为将long类型值赋给long类型变量，不会报错。
由于编译器不会阻止此类类型别名的语义错误，我们称别名不具备类型安全性type safe。尽管如此，它们仍具有实用价值。
警告
必须谨慎避免混用语义上应区分的别名值。
附带说明...
某些语言支持强类型定义strong typedef（或强类型别名strong type alias）的概念。强类型定义实际上创建了具有原始类型所有属性的新类型，但若尝试混用别名类型与强类型定义的值，编译器将抛出错误。截至C++20，C++尚未直接支持强类型定义（尽管第13.6节——作用域枚举（枚举类）中介绍的枚举类具有类似特性），但已有不少第三方C++库实现了类似强类型定义的行为。
类型别名的作用域
由于作用域是标识符的属性，类型别名标识符遵循与变量标识符相同的作用域规则：在代码块内定义的类型别名具有块作用域，仅限于该块内使用；而在全局命名空间定义的类型别名具有全局作用域，可在文件结尾前使用。在上例中，Miles 和 Speed 仅可在 main() 函数内使用。
若需在多个文件中使用类型别名，可将其定义在头文件中，并通过#include引入至需要该定义的代码文件：
mytypes.h:
#ifndef MYTYPES_H
#define MYTYPES_H
using Miles = long;
using Speed = long;
#endif
通过此方式#include的类型别名将被导入全局命名空间，从而获得全局作用域。
类型定义
typedef（即“类型定义type definition”的缩写）是创建类型别名的一种传统方式。创建typedef别名需使用typedef关键字：
// The following aliases are identical
typedef long Miles;
using Miles = long;
出于向后兼容性考虑，C++仍保留typedef，但在现代C++中已基本被类型别名取代。
typedef存在若干语法问题。首先，容易混淆应先定义类型定义的名称typedef name还是被别名类型的名称aliased type name。以下哪种写法正确？
typedef Distance double; // incorrect (typedef name first)
typedef double Distance; // correct (aliased type name first)
很容易搞反。幸运的是，在这种情况下，编译器会发出警告。
其次，当类型更复杂时，typedef的语法会变得臃肿。例如，下面是一个难以阅读的typedef，以及一个等效（且稍易阅读）的类型别名：
typedef int (*FcnType)(double, char); // FcnType hard to find
using FcnType = int(*)(double, char); // FcnType easier to find
在上面的typedef定义中，新类型（FcnType）的名称被埋在定义的中间部分，而在类型别名中，新类型的名称与定义的其余部分由等号分隔。
第三，名称“typedef”暗示正在定义新类型，但事实并非如此。typedef仅仅是一个别名。
最佳实践
优先使用类型别名而非typedef。
命名规范
C++标准将类型定义（typedef）和类型别名（type aliases）的名称统称为“typedef名称typedef names”。
何时应使用类型别名？
既然我们已经介绍了类型别名是什么，接下来就来谈谈它们的用途。
使用类型别名实现平台无关编程
类型别名的主要用途之一是隐藏平台特有的细节。在某些平台上，整型（int）占用2字节，而在其他平台上则占用4字节。因此，在编写平台无关代码时，使用整型存储超过2字节的信息可能存在潜在风险。
由于char、short、int和long未明确标注其大小，跨平台程序通常会使用类型别名来定义包含类型位数的别名。例如：int8_t 表示8位有符号整数，int16_t 表示16位有符号整数，int32_t 表示32位有符号整数。此类类型别名能有效避免错误，并清晰揭示变量大小的预设假设。
为确保每个别名类型解析为正确大小的类型，此类类型别名通常需配合预处理器指令使用：
#ifdef INT_2_BYTES
using int8_t = char;
using int16_t = int;
using int32_t = long;
#else
using int8_t = char;
using int16_t = short;
using int32_t = int;
#endif
在整型仅占2字节的机器上，可通过编译器/预处理器设置将INT_2_BYTES进行#define定义，此时程序将采用顶部类型别名集进行编译。而在整型占4字节的机器上，若未定义INT_2_BYTES，则会使用底部类型别名集。通过这种方式，只要正确定义 INT_2_BYTES，int8_t 将解析为 1 字节整数，int16_t 将解析为 2 字节整数，int32_t 将解析为 4 字节整数（使用 char、short、int 和 long 的组合，具体取决于程序编译目标机器的特性）。
固定宽度整数类型（如 std::int16_t 和 std::uint32_t）以及 size_t 类型（均在第 4.6 节——固定宽度整数与 size_t 中介绍）实际上只是对各种基本类型的别名。
这也是为什么当你使用 std::cout 打印 8 位固定宽度整数时，很可能会得到字符值。例如：
#include <cstdint> // for fixed-width integers
#include <iostream>
int main()
{
std::int8_t x{ 97 }; // int8_t is usually a typedef for signed char
std::cout << x << '\n';
return 0;
}
该程序输出：
由于 std::int8_t 通常是 signed char 的 typedef，变量 x 很可能被定义为 signed char。而 char 类型会将值以 ASCII 字符形式打印，而非整数值。
使用类型别名使复杂类型更易于阅读
虽然我们目前只处理过简单的数据类型，但在高级C++中，类型可能变得复杂且冗长，需要在键盘上手动输入。例如，你可能会看到函数和变量这样定义：
#include <string> // for std::string
#include <vector> // for std::vector
#include <utility> // for std::pair
bool hasDuplicates(std::vector<std::pair<std::string, int>> pairlist)
{
// some code here
return false;
}
int main()
{
std::vector<std::pair<std::string, int>> pairlist;
return 0;
}
在需要使用该类型的地方到处输入 std::vector<std::pair<std::string, int>> 既繁琐又容易出错。使用类型别名会方便得多：
#include <string> // for std::string
#include <vector> // for std::vector
#include <utility> // for std::pair
using VectPairSI = std::vector<std::pair<std::string, int>>; // make VectPairSI an alias for this crazy type
bool hasDuplicates(VectPairSI pairlist) // use VectPairSI in a function parameter
{
// some code here
return false;
}
int main()
{
VectPairSI pairlist; // instantiate a VectPairSI variable
return 0;
}
好多了！现在我们只需输入 VectPairSI 而不是 std::vector<std::pair<std::string, int>>。
不必担心你还不了解std::vector、std::pair或这些奇怪的尖括号。你真正需要理解的是：类型别名能让你将复杂类型赋予更简洁的名称，从而提升代码可读性并减少输入量。
这可能是类型别名最理想的用法。
利用类型别名来记录值的含义
类型别名还能帮助代码文档化与理解。
对于变量，我们有变量标识符来帮助记录变量的用途。但考虑函数的返回值情况。诸如 char、int、long、double 和 bool 之类的数据类型描述了函数返回的值的类型，但我们更常需要了解返回值的具体含义。
例如，考虑以下函数：
int gradeTest();
我们能看出返回值是个整数，但这个整数代表什么？字母评分？错题数量？学生ID号？错误代码？谁知道呢！整数类型本身并不能说明太多。运气好的话，函数文档可能存在于某个可查阅的位置；运气不佳时，就只能通过阅读代码来推测其用途了。
现在我们使用类型别名实现等效版本：
using TestScore = int;
TestScore gradeTest();
TestScore 的返回类型使其更明确地表明该函数返回的是代表考试成绩的类型。
根据我们的经验，仅为记录单个函数的返回类型而创建类型别名并不值得（建议改用注释说明）。但若有多个函数传递或返回此类类型，创建类型别名则可能值得考虑。
使用类型别名简化代码维护
类型别名还能让你在无需修改大量硬编码类型的情况下，改变对象的底层类型。例如，若你原本使用short类型存储学生ID号，后来却发现需要改用long类型，就必须翻遍大量代码将short替换为long。此时要分辨哪些short类型对象用于存储ID号、哪些用于其他用途，恐怕相当困难。
然而，若使用类型别名，则修改类型只需更新类型别名即可（例如将 StudentId = short; 改为 StudentId = long;）。
虽然这看似是个不错的优势，但每次改变类型时都需谨慎，因为程序的行为也可能随之改变。当将类型别名转换为不同类型家族中的类型时（例如整数转为浮点数，或有符号数转为无符号数），这种情况尤为明显！新类型可能存在比较运算或整数/浮点数除法问题，以及旧类型不曾出现的问题。若将现有类型转换为其他类型，必须对代码进行全面重新测试。
缺点与结论
尽管类型别名具备某些优势，但它们也会在代码中引入另一个需要理解的标识符。若这种额外标识符未能通过提升可读性或可理解性来抵消其影响，那么类型别名反而弊大于利。
不当使用的类型别名可能将常见类型（如std::string）隐藏在需要查阅的自定义名称背后。在某些情况下（例如智能指针，我们将在后续章节中讨论），模糊类型信息也会妨碍理解该类型的预期行为。
因此，类型别名应主要用于能显著提升代码可读性或维护性的场景。这既是科学也是艺术。当类型别名能在代码中广泛复用而非局限于少数位置时，其价值最为突出。
最佳实践
谨慎使用类型别名，仅当其能显著提升代码可读性或维护性时才采用。
测验时间
给定以下函数原型：
int printData();
将整型返回值转换为名为PrintError的类型别名。同时包含类型别名声明和更新后的函数原型。
显示答案
using PrintError = int;
PrintError printData();
浙公网安备 33010602011771号