C++20新增部分内容

2022-12-30 11:49:52

1、Constraints and concepts (约束和概念）

在类模板和函数模板编程中，主要用于对模板参数的结束和限制，这种约束和限制发生在编译期，编译错误不再那么晦涩难懂了。
在模板编程中，可以限制模板参数的类型或具用某种特性，如：可以限制为整型、数值型、bool 型、或必须支持 hash 特性、或某个类的派生类型等。

在 C++20 中 Concepts 是非常重要的概念，模板编程终于有了质的提升。

Concepts

Concepts 是 requirements 的具名集合，concepts 需要声明在命名空间中，语法如下：

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

如下所示：

template<typename T>
concept Hashable = requires(T a) 
{
    { std::hash<T>{}(a) } -> std::convertible_to<std::size_t>;
};//声明了一个名为Hashable的concept

struct meow {};

template<Hashable T>
void f(T); // 约束这个T必须满足Hashable concept，否则无法编译通过。

int main() 
{
  f("abc"s); // OK,string是可hash的
  f(meow{}); // Error: meow结构体不是可hash的，当然可以让其支持hash。
}

//
template<typename T>
concept C=sizeof(T)>10;

template<C T>
class test{};
template<C T>
void func(T t);

Constraints

约束是逻辑操作和操作数的序列，它用于指定对模板实参的要求。可在 requires 表达式中出现，也可直接作为 concept 的主体。

有三种类型的约束：

合取（conjunction）
析取（disjunction）
原子约束（atomic constraint）

如下所示：

template<Incrementable T>
void f(T) requires Decrementable<T>;

template<Incrementable T>
void f(T) requires Decrementable<T>; // OK：重声明

Requires

requires 用于约束模板参数或具体的参数。

requires 子句

如下所示：

template<typename T>
void f(T&&) requires Eq<T>; // 可作为函数声明符的最末元素出现

template<typename T> 
requires Addable<T> // 或在模板形参列表的右边
T add(T a, T b) 
{ 
    return a + b; 
}

关键词 requires 必须后随某个常量表达式（故可以写为 requires true），但其意图是使用某个具名概念（如上例），或具名概念的一条合取/析取，或一个 requires 表达式。

表达式必须具有下列形式之一：

初等表达式，例如 Swappable、std::is_integral::value、(std::is_object_v && …) 或任何带括号表达式
以运算符 && 连接的初等表达式的序列
以运算符 || 连接的前述表达式的序列

requires 表达式

语法如下：

requires { requirement-seq }    
requires ( parameter-list(optional) ) { requirement-seq }

parameter-list - 与函数声明中类似的形参的逗号分隔列表，但不允许默认实参且不能以（并非指定包展开的）省略号结尾。这些形参无存储期、连接或生存期，它们仅用于辅助进行各个要求的制定。这些形参在要求序列的闭 } 前处于作用域中。
requirement-seq - 要求（requirement）的序列，描述于下（每个要求以分号结尾）。

requirement-seq 中的每个要求必须是下面的四项之一：

简单要求（simple requirement）
类型要求（type requirement）
复合要求（compound requirement）
嵌套要求（nested requirement）

如下所示：

template<typename T>
concept Addable = requires (T x) { x + x; }; // requires 表达式

template<typename T> requires Addable<T> // requires 子句，非 requires 表达式
T add(T a, T b) { return a + b; }

template<typename T>
    requires requires (T x) { x + x; } // 随即的约束，注意关键字被使用两次
T add(T a, T b) { return a + b; }

2、Modules (模块）

用于从逻辑上划分代码，能够加快编译速度，并且与导入的顺序无关（还记得以前由于 #include 顺序的不同导致的编译错误吗？）
主要有三个关键字：

module：用于声明一个模块
export：用于导出模块、函数或类
import：用于导入模块

如下所示：
定义了一个 hello world 模块，导出了 hello 函数

//helloworld.cpp
export module helloworld;  // module declaration
import <iostream>;         // import declaration 
export void hello() 
{      
    // export declaration
    std::cout << "Hello world!\n";
}

//main.cpp
import helloworld;

int main()
{
    hello();
}

3、Coroutines（协程）

协程，就是能够暂停执行然后在接下来的某个时间点恢复执行的函数，C++中的协程是无栈的(stack less)。使用协程可以方便的编写异步代码（和编写同步代码类似）。

主要涉及三个关键字：

（1）co_await
co_await 暂停当前协程的执行，直到等待的操作完成后继续执行。

task<> tcp_echo_server() 
{
    char data[1024];
    for (;;) 
    {
        std::size_t n = co_await socket.async_read_some(buffer(data)); #与 Python 中的 await 类似
        co_await async_write(socket, buffer(data, n));
    }
}

上述代码，在 async_read_some() 完成后，继续执行下面的语句，在 async_read_some()执行

（2）co_yield
co_yield 暂停执行并返回一个值，与 return 不同的是 co_yield 虽然返回了值，但当前函数没有终止。

generator<int> iota(int n = 0) 
{
    while(true)
    {
        co_yield n++;  //与 Python 中的 yield 类似
    }
}

（3）co_return

co_return 用于结束当前协程的执行并返回一个值

lazy<int> f()
{
  co_return 7;
}

当然协程也有一些限制：

不能使用变长实参；
不能使用普通的 return 语句，或占位符返回类型（auto 或 Concept）；
constexpr 函数、构造函数、析构函数及 main 函数不能是协程。

4、Ranges（范围）

提供了处理基于范围的元素（可简单理解为容器）的组件及各种适配器，还有一些新的算法。
主要有如下几类：

基于范围的访问器
基于范围的原语
基于范围的 concept
视图
工厂
适配器

详见头文件：

一个简单的例子：

#include <vector>
#include <ranges>
#include <iostream>
 
int main()
{
    std::vector<int> ints{0,1,2,3,4,5};
    auto even = [](int i){ return 0 == i % 2; };
    auto square = [](int i) { return i * i; };
 
    for (int i : ints | std::views::filter(even) | std::views::transform(square)) 
    {
        std::cout << i << ' ';
    }
}

5、Designated Initializers（指定初始化）

使用 {} 初始化数组、类、结构体或联合等的成员。

struct A{int a;int b;int c;};
A a{.a=10,.b=100,.c=20};

operator<=>

三路比较运算符，形如：

lhs <=> rhs

其行为如下：

(a <=> b) < 0 if lhs < rhs
(a <=> b) > 0 if lhs > rhs
(a <=> b) == 0 if lhs equal rhs

示例如下：

#include <compare>
#include <iostream>
int main() 
{
    double foo = -0.0;
    double bar = 0.0;
    auto res = foo <=> bar;
    if (res < 0)
        std::cout << "-0 is less than 0";
    else if (res == 0)
        std::cout << "-0 and 0 are equal";
    else if (res > 0)
        std::cout << "-0 is greater than 0";
}

6、Attributes（特性）

[[nodiscard( string-literal )]]：忽略返回值时警告。
[[likely]] 和[[unlikely]]：指示编译器优化更可能出现的情况或分支。是一种对变量值出现可能性的一种预判。

int f(int i)
{
    if (i < 0) [[unlikely]] 
    {
        return 0;
    }
 
    return 1;
}

3. [[no_unique_address]]：用于优化存储空间，当成员为空的时候可以不占用存储空间

7、Others

（1）constexpr 新增对虚函数的支持。

（2）char8_t 用于存储utf-8的字符串。

（3）constinit

强制常量初始化，不可以动态初始化

const char * g() { return "dynamic initialization"; }
constexpr const char * f(bool p) { return p ? "constant initializer" : g(); }
constinit const char * c = f(true); // OK
constinit const char * d = f(false); // error

（4）labmda

不再支持以值的形式默认捕获参数；
允许以值的形式显示捕获 this；
支持模板，且支持可变参数；

template <typename... Args>
void foo(Args... args) 
{
  [...xs=args]{bar(xs...); // xs is an init-capture pack};
}

（5）std::format

使用 {} 进行格式化字符串，再也不用恶心的 stream 来拼接了，之前使用过boost 的 format，同样好用。

#include <iostream>
#include <format>
 
int main() 
{
    std::cout << std::format("Hello {}!\n", "world");
}

（6）std::span

span 是容器的视图(即不拥有)，提供对连续元素组的边界检查访问。因为视图不拥有自己的元素，所以构造和复制的成本很低；

（7）std::jthread

新的线程类，与 std::thread 类似，只是功能更强大，支持停止、自动 join 等

（8）Calendar 和 time zone

（9）endian 用于判断大小端的枚举

（10）std::make_shared 支持数组

（11）atomic 支持浮点数和 smart ptr

（12）std::basic_syncbuf 和 std::basic_osyncstream

（13）string 增加 starts_with 和 end_with 函数

（14）std::atomic_ref 原子引用

（15）std::to_array 将 xxx 转换为 std::array

（16）inline namespace

内容节选自连少华《曾被“劝退”的 C++ 20 正式发布！》，本文仅供参考与学习。最近遇到一些好的文章莫名被删除，出于学习和共享的目的，希望留一个备份。如原作者版权需要请联系删除，谢谢！

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1、Constraints and concepts (约束和概念）

2、Modules (模块）

3、Coroutines（协程）

4、Ranges（范围）

5、Designated Initializers（指定初始化）

operator<=>

6、Attributes（特性）

7、Others

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