探索 C++20：C++ 的新纪元

2024-11-11 07:09:16

探索 C++20：C++ 的新纪元

对于那些热爱 C++ 的程序员们，当看到 C++20 的发布，应该多少有些兴奋吧，因为C++20 带来了许多引人注目的新特性，让语言变得更具表现力、更高效，并且在编写和维护代码方面极大地提升了体验，所以此刻还是非常有必要重新审视一下C++这门古老、而又能焕然一新的语言。

C++20 的发展历程

C++20 是对现代 C++ 的一次重大发展。C++20 的工作始于 2017 年，当时 C++ 标准委员会开始讨论新标准的目标与计划。经过多次会议和大量讨论，最终在 2020 年正式批准并发布了这一标准。

C++20 的成功发布，标志着 C++ 语言在提高性能、可读性和编程体验方面迈出的重要一步。新特性如概念、协程和模块等，展现了 C++ 社区致力于解决现代编程挑战的决心和能力。

现在已经是2024年末，经过4年的发展，随着 C++20 标准的成熟和各编译器的支持不断完善，开发者们应该能够充分利用这些新特性，在他们的项目中编写出更高效、更优雅的代码。

C++的流行程度

C++ 一直以来都是编程界的重要语言，因其高性能和灵活性被广泛使用于系统编程、游戏开发、嵌入式系统、金融软件、大规模服务器和性能敏感的应用领域。要了解 C++ 的流行度，我们可以参考几个常用的编程语言排名指标，例如 TIOBE 指数、RedMonk 编程语言排名、GitHub Repositories 等。TIOBE 每月都会发布更新，其排名主要基于全球搜索引擎的计数和流量。

虽然C++由于其显示的内存管理而饱受诟病，甚至被认为是内存不安全的语言将来要被剔除，但是截止目前2024年11月，最新的TIOBE 编程语言排名已经飙升到第2名，而其最大的竞争对手RUST目前排名13。

尽管有多种新的编程语言不断涌现，C++ 仍然保持着高流行度，特别是在高性能应用和系统编程领域。其复杂性和丰富特性需要一定的学习曲线，但也赋予了开发者强大的控制力和性能优化能力。

C++20 的主要新特性

概念（Concepts）

概念为模板编程带来了革命性的变化。它允许我们定义更明确的模板参数约束，从而捕获模板使用中的类型错误，这使得模板代码更加可读和健壮。

#include <concepts>
#include <iostream>

template <typename T>
concept Arithmetic = std::is_arithmetic_v<T>;

template <Arithmetic T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

int main() {
    std::cout << add(1, 2) << std::endl; // 正常运行
    // std::cout << add("hello", "world") << std::endl; // 编译时错误
}

范围（Ranges）

C++20 引入了范围库，它为标准模板库 (STL) 提供了更强大的操作序列的方法，使代码更简洁明了。

#include <ranges>
#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    auto even_numbers = numbers | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; });

    for (auto n : even_numbers) {
        std::cout << n << ' ';
    }
    std::cout << std::endl;
}

协程（Coroutines）

协程简化了异步编程，允许函数在执行过程中挂起和恢复。这使得异步操作和状态机的管理更加高效和容易。

#include <iostream>
#include <coroutine>

struct ReturnObject {
    struct promise_type {
        ReturnObject get_return_object() { return {}; }
        std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() {}
    };
};

ReturnObject coroutine_example() {
    std::cout << "Hello, ";
    co_await std::suspend_always{};
    std::cout << "C++20!" << std::endl;
}

int main() {
    auto handle = coroutine_example();
}

模块（Modules）

模块提供了一种比头文件更加现代化的结构来管理代码，显著提高了编译速度并减少了编译依赖。

// math.ixx
export module math;

export int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// main.cpp
import math;
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << add(1, 2) << std::endl;
}

格式化库（Formatting Library）

新的格式化库灵感来源于 fmt 库，提供了一种灵活且安全的构建格式化字符串的方法。

#include <iostream>
#include <format>

int main() {
    std::cout << std::format("Welcome to C++20, {}!", "world") << std::endl;
}

三向比较运算符（<=>）

飞船运算符简化了各种比较操作的实现，提供了统一的接口来定义强排序、弱排序和部分排序。

#include <compare>
#include <iostream>

struct Version {
    int major;
    int minor;
    int patch;

    auto operator<=>(const Version&) const = default;
};

int main() {
    Version v1{1, 0, 0};
    Version v2{1, 1, 0};

    if (v1 < v2) {
        std::cout << "v1 小于 v2" << std::endl;
    }
}

更强大的 `constexpr`

C++20 扩展了 constexpr 的能力，允许在编译时完成更多的计算和标准库功能。

#include <array>
#include <algorithm>
#include <iostream>

constexpr int factorial(int n) {
    return n <= 1 ? 1 : n * factorial(n - 1);
}

int main() {
    constexpr int result = factorial(5);
    std::cout << result << std::endl;  // 输出：120
}

Lambda 改进

Lambda 表达式在 C++20 中得到了进一步的增强，包括支持模板 Lambda 和捕获 *this 的能力。

#include <iostream>

struct CaptureThis {
    int value{42};
    
    auto get_lambda() {
        return [*this] { return value; }; // 通过拷贝捕获
    }
};

int main() {
    CaptureThis obj;
    auto lambda = obj.get_lambda();
    std::cout << lambda() << std::endl;  // 输出：42
}

C++20 编译器支持情况

C++20 在多个主流 C++ 编译器中得到了不同程度的支持，包括：

GCC：从 10 版本开始，GCC 已基本支持大部分 C++20 特性，如概念、模块、协程等。
Clang：从 10 版本起，Clang 也开始支持多个 C++20 特性，目前支持情况日趋完善。
MSVC（Microsoft Visual C++）： Microsoft 在 Visual Studio 2019 版本中增加了对很多 C++20 特性的支持，包括概念、协程、范围等。

可以在各编译器的官方文档中查看具体的特性支持详细情况和版本要求。

C++20 的兼容性

当我们从 C++17 迁移到 C++20 时，保持代码的兼容性是一个重要的考量因素。总体而言，C++20 保持了大部分与 C++17 的兼容性，但也引入了一些需要关注的变化。以下是兼容性问题的几个方面：

保持向后兼容的特性

大多数 C++17 特性在 C++20 中仍然有效，并且可以在 C++20 编译器中无缝运行 C++17 代码。例如：

结构化绑定
if constexpr 表达式
std::optional, std::variant 和 std::any
折叠表达式
constexpr if

可能影响兼容性的变化

虽然 C++20 主要还是向后兼容的，但是也有一些可能影响 C++17 代码的变化。这些变化可能会在编译或者运行时发生错误，需要特别注意。

移除的特性

某些在 C++ 标准中的被弃用特性在 C++20 中被完全移除。这些特性如果在 C++17 代码中使用，将导致编译错误。例如：

移除了对 std::allocator<void> 的支持
移除了 std::random_shuffle，应该使用 std::shuffle
移除了早期的 iterator 特性，比如 std::iterator 的类型定义

修正和增强的特性

C++20 修正了一些 C++17 中的特性，这些修正可能会导致行为变化：

抛出异常 std::string::const_iterator 和 std::basic_string_view 的比较运算在 C++20 中做了调整，结果可能与 C++17 不同。
std::vector<bool> 一些非标准和未定义行为在 C++20 中有了更严格的定义。

更严格的语言规则

C++20 对于某些语言规则变得更加严格，比如某些模板参数和概念的使用：

C++20 对模板的约束变得更加明确，如果在 C++17 代码中存在未明确的模板使用，可能会在 C++20 编译器中触发编译错误。
Lambda 捕获中的更严格规则和 constexpr 的使用限制可能导致旧代码无法编译，特别是在涉及某些常量表达式计算时。

结语

总的来说，C++20 为开发者带来了一系列激动人心的新特性，这些特性不仅改善了编程体验，而且打开了新的可能性的大门。无论您是通过使用概念提升模板编程的安全性，或是利用协程简化异步操作，C++20 都将助您一臂之力。C++20 的未来无疑是光明的，让我们继续探索和实践，释放这一强大语言的全部潜力。祝大家在 C++20 中编写出更高效、更优雅的代码！

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