C++20 的新特性

C++20 引入了 Concepts，這是一種用于限制類和函數(shù)模板的模板類型和非類型參數(shù)的命名要求。Concepts 是作為編譯時(shí)評(píng)估的謂詞，用于驗(yàn)證傳遞給模板的模板參數(shù)。Concepts 的主要目的是使模板相關(guān)的編譯器錯(cuò)誤更易于人類閱讀。

我們都遇到過(guò)這樣的情況：當(dāng)為類或函數(shù)模板提供錯(cuò)誤的參數(shù)時(shí)，編譯器會(huì)輸出數(shù)百行錯(cuò)誤信息。要從這些編譯器錯(cuò)誤中找到根本原因并不總是容易的。Concepts 允許編譯器在某些類型約束不滿足時(shí)輸出更易讀的錯(cuò)誤消息。因此，為了獲得有意義的語(yǔ)義錯(cuò)誤，建議編寫(xiě)模擬語(yǔ)義要求的 Concepts。避免僅針對(duì)語(yǔ)法方面而沒(méi)有任何語(yǔ)義意義的 Concepts 驗(yàn)證，例如，僅檢查類型是否支持 operator+ 的 Concept。這樣的 Concept 只會(huì)檢查語(yǔ)法，而不是語(yǔ)義。例如 std::string 支持 operator+，但顯然，它與整數(shù)的 operator+ 有完全不同的含義。另一方面，如 sortable（可排序）和 swappable（可交換）等 Concepts 是模擬一些語(yǔ)義意義的好例子。

注意：編寫(xiě) Concepts 時(shí)，請(qǐng)確保它們模擬語(yǔ)義，而不僅僅是語(yǔ)法。

Concepts 的語(yǔ)法

定義 Concepts 的通用語(yǔ)法如下：

template <parameter-list> concept concept-name = constraints-expression;

它以熟悉的 template<> 規(guī)范開(kāi)始，但與類和函數(shù)模板不同，Concepts 永遠(yuǎn)不會(huì)被實(shí)例化。接下來(lái)，使用一個(gè)新關(guān)鍵字 concept，后跟 Concept 的名稱。你可以使用任何你想要的名稱。constraints-expression 可以是任何常量表達(dá)式，即任何可以在編譯時(shí)評(píng)估的表達(dá)式。約束表達(dá)式必須產(chǎn)生布爾值。約束永遠(yuǎn)不會(huì)在運(yùn)行時(shí)評(píng)估。約束表達(dá)式將在下一節(jié)中詳細(xì)討論。

Concept 表達(dá)式的語(yǔ)法如下：

concept-name<argument-list>

Concept 表達(dá)式評(píng)估為真或假。如果評(píng)估為真，則稱給定的模板參數(shù)模擬了該 Concept。

Constraints Expression

1.常量表達(dá)式

可直接用作 Concept 定義約束的布爾常量表達(dá)式必須精確地計(jì)算為布爾值，不進(jìn)行任何類型轉(zhuǎn)換。例如：

template <typename T>
concept C = sizeof(T) == 4;

2.Requires 表達(dá)式

Requires 表達(dá)式的語(yǔ)法如下：

requires (parameter-list) { requirements; }

參數(shù)列表是可選的。每個(gè)要求必須以分號(hào)結(jié)束。有四種類型的要求：簡(jiǎn)單要求、類型要求、復(fù)合要求和嵌套要求。

(1) 簡(jiǎn)單要求

簡(jiǎn)單要求是任意不以 requires 開(kāi)頭的表達(dá)式語(yǔ)句。例如，以下 Concept 定義規(guī)定了某種類型 T 必須支持后綴和前綴 ++ 操作符：

template <typename T>
concept Incrementable = requires(T x) {
    x++;
    ++x;
};

(2) 類型要求

類型要求驗(yàn)證某種類型是否有效。例如，以下 Concept 要求某種類型 T 具有 value_type 成員：

template <typename T>
concept C = requires {
    typename T::value_type;
};

(3) 復(fù)合要求

復(fù)合要求用于驗(yàn)證某事物不拋出異常，以及/或驗(yàn)證某個(gè)方法返回特定類型。例如，以下 Concept 驗(yàn)證給定類型具有標(biāo)記為 noexcept 的 swap() 方法：

template <typename T>
concept C = requires (T x, T y) {
    { x.swap(y) } noexcept;
};

(4) 嵌套要求

Requires 表達(dá)式可以包含嵌套要求。例如，這里是一個(gè)要求類型大小為 4 字節(jié)并支持前綴和后綴增量和減量操作的 Concept：

template <typename T>
concept C = requires (T t) {
    requires sizeof(t) == 4;
    ++t;
    --t;
    t++;
    t--;
};

Requires 表達(dá)式可以有多個(gè)參數(shù)，并且可以由一系列要求組成。例如，以下 Concept 要求類型 T 的實(shí)例是可比較的：

template <typename T>
concept Comparable = requires(const T a, const T b) {
    { a == b } -> convertible_to<bool>;
    { a < b } -> convertible_to<bool>;
    // ... 對(duì)其他比較操作符的類似要求 ...
};

組合 Concept 表達(dá)式

使用邏輯運(yùn)算符組合：

現(xiàn)有的 Concept 表達(dá)式可以通過(guò)使用邏輯運(yùn)算符“與”（&&）和“或”（||）來(lái)組合。例如，假設(shè)您有一個(gè)類似于 Incrementable 的 Decrementable Concept；以下示例展示了一個(gè)要求類型同時(shí)具備增量和減量能力的 Concept：

template <typename T>
concept IncrementableAndDecrementable = Incrementable<T> && Decrementable<T>;

預(yù)定義的標(biāo)準(zhǔn) Concepts

(1) 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中的 Concepts

標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)定義了一系列預(yù)定義的 Concepts，分為多個(gè)類別。以下列表給出了每個(gè)類別中的一些示例 Concepts，所有這些都在 <concepts> 頭文件和 std 命名空間中定義：

• 核心語(yǔ)言 Concepts：same_as、derived_from、convertible_to、integral、floating_point、copy_constructible 等。
• 比較 Concepts：equality_comparable、totally_ordered 等。
• 對(duì)象 Concepts：movable、copyable 等。
• 可調(diào)用 Concepts：invocable、predicate 等。

此外，<iterator> 頭文件定義了與迭代器相關(guān)的 Concepts，如 random_access_iterator、forward_iterator 等，還定義了算法要求，如 mergeable、sortable、permutable 等。

C++20 范圍庫(kù)還提供了一些標(biāo)準(zhǔn) Concepts。第17章《理解迭代器和范圍庫(kù)》詳細(xì)討論了迭代器和范圍，而第20章更深入地探討了標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)提供的算法。

(2) 使用標(biāo)準(zhǔn) Concepts

如果這些標(biāo)準(zhǔn) Concepts 滿足您的需求，您可以直接使用它們，無(wú)需自己實(shí)現(xiàn)。例如，以下 Concept 要求類型 T 是從類 Foo 派生的：

template <typename T>
concept IsDerivedFromFoo = derived_from<T, Foo>;

以下 Concept 要求類型 T 可以轉(zhuǎn)換為 bool：

template <typename T>
concept IsConvertibleToBool = convertible_to<T, bool>;

這些標(biāo)準(zhǔn) Concepts 也可以組合成更具體的 Concepts。例如，以下 Concept 要求類型 T 既是默認(rèn)構(gòu)造的也是可拷貝構(gòu)造的：

template <typename T>
concept DefaultAndCopyConstructible = default_initializable<T> && copy_constructible<T>;

注意：編寫(xiě)完整且正確的 Concepts 并不總是容易的。如果可能，嘗試使用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn) Concepts 或它們的組合來(lái)約束您的類型。