曾被“劝退”的 C++ 20 正式发布！

【编者按】近日，C++20 标准正式公布，这不禁让人想起了 2018 年年底 C++ 标准委员会讨论 C++ 20 新特性的光景。

当时“ C++ 20 还未发布，就已凉凉？”的论调可谓火热，其中 C++ 模块化更是引起了国内外开发者的嫌弃：C++ 开发者怒了：这个无用的模块设计最终会害死 C++！

这个未出世就被群嘲“劝退”的 C++20 ，如今终于正式发布，那它带来了哪些新特性呢？一起来看大佬实战探究总结！

作者 | 连少华  责编 | 张文

头图 | CSDN 下载自视觉中国

出品 | CSDN（ID：CSDNnews）

近日，ISO C++委员会正式发布了 C++20 标准，命名为 ISO/IEC 14882:2020。

作为程序员，看到新标准发布总想尝鲜，目前 gcc 10.2 可以支持部分 C++ 20 标准，编译的时候需要使用编译选项：-std=c++2a。

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; }

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 helloworld 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();
}

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：

• 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()执行完成之前，暂停执行并让出控制权。

• 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
}

• 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：

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

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 << ' ';
    }
}

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";
}

Attributes（特性）

1. [[nodiscard( string-literal )]]：忽略返回值时警告。
2. [[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

Others

constexpr 新增对虚函数的支持。

char8_t 用于存储utf-8的字符串。

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

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
  };
}

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");
}

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；

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

Calendar 和 time zone

endian 用于判断大小端的枚举

std::make_shared 支持数组

atomic 支持浮点数和 smart ptr

std::basic_syncbuf 和 std::basic_osyncstream

string 增加 starts_with 和 end_with 函数

std::atomic_ref 原子引用

std::to_array 将 xxx 转换为 std::array

inline namespace

特性概览

核心功能特性概览

library features

更多标准功能详情，大家也可以移步至 C++ 官方发布平台查看。

• https://en.cppreference.com/w/cpp/20

• http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2020/p2131r0.html

草案版本：

• https://github.com/cplusplus/draft/tree/c++20

作者简介：连少华，资深架构师。钟爱 C++语言，是 C++语言的资深研究者，对新技术有敏锐洞察和见解，拥有十多年一线软件架构设计和开发经验，先后在中兴通讯、深交所和金证股份任职资深开发和架构师，同时负责软件架构的设计和核心编码。目前在互联网金融企业主导公司交易系统、行情系统和量化系统的设计与开发。先后翻译了《C++代码整洁之道》和《Python 代码整洁之道》。

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