C++ 20语言特性

本文为译文，原文链接：https://github.com/AnthonyCalandra/modern-cpp-features/blob/master/CPP20.md

Coroutines（协程）

协程是一种特殊的函数，它的执行可以被暂停或恢复。要定义协程，关键字co_return ，co_await，或co_yield 必须出现在函数体中。c++ 20的协程是无栈的;除非编译器进行了优化，否则它们的状态是在堆上分配的。

协程的一个例子是generator函数，它在每次调用时生成一个值:

generator<int> range(int start, int end) {
  while (start < end) {
    co_yield start;
    start++;
  }

  // Implicit co_return at the end of this function:
  // co_return;
}

for (int n : range(0, 10)) {
  std::cout << n << std::endl;
}

上面的range生成器函数生成的值从start开始直到end(互斥)，每个迭代步骤生成存储在start中的当前值。生成器在每次调用range时都保持它的状态(在本例中，调用是针对for循环中的每次迭代)。co_yield接受给定的表达式，生成(即返回)它的值，并在那一点暂停协程。在恢复时，在co_yield之后继续执行。

协程的另一个例子是task，它是一个在等待任务时执行的异步计算:

task<void> echo(socket s) {
  for (;;) {
    auto data = co_await s.async_read();
    co_await async_write(s, data);
  }

  // Implicit co_return at the end of this function:
  // co_return;
}

在本例中，引入了co_await关键字。这个关键字接受一个表达式，如果您正在等待的东西(在本例中是读或写)没有准备好，则挂起执行，否则继续执行。(注意，在内部，co_yield使用co_await。)

使用任务惰性地评估一个值:

task<int> calculate_meaning_of_life() {
  co_return 42;
}

auto meaning_of_life = calculate_meaning_of_life();
// ...
co_await meaning_of_life; // == 42

注意:虽然这些示例说明了如何在基本级别上使用协程，但在编译代码时还有更多内容。这些例子并不意味着完全覆盖c++ 20的协程。由于标准库还没有提供generator和task类，所以我使用cppcoro库来编译这些示例。

Concepts（概念）

概念被命名为约束类型的编译时谓词。它们的形式如下:

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

其中constraint-expression计算为constexpr布尔值。约束应该对语义需求进行建模，例如类型是数字类型还是可哈希类型。如果给定的类型不满足它所绑定的概念(例如:“约束表达式”返回“false”)。因为约束是在编译时计算的，所以它们可以提供更有意义的错误消息和运行时安全性。

// `T` is not limited by any constraints.
template <typename T>
concept always_satisfied = true;
// Limit `T` to integrals.
template <typename T>
concept integral = std::is_integral_v<T>;
// Limit `T` to both the `integral` constraint and signedness.
template <typename T>
concept signed_integral = integral<T> && std::is_signed_v<T>;
// Limit `T` to both the `integral` constraint and the negation of the `signed_integral` constraint.
template <typename T>
concept unsigned_integral = integral<T> && !signed_integral<T>;

有各种各样的语法形式来加强概念:

// Forms for function parameters:
// `T` is a constrained type template parameter.
template <my_concept T>
void f(T v);

// `T` is a constrained type template parameter.
template <typename T>
  requires my_concept<T>
void f(T v);

// `T` is a constrained type template parameter.
template <typename T>
void f(T v) requires my_concept<T>;

// `v` is a constrained deduced parameter.
void f(my_concept auto v);

// `v` is a constrained non-type template parameter.
template <my_concept auto v>
void g();

// Forms for auto-deduced variables:
// `foo` is a constrained auto-deduced value.
my_concept auto foo = ...;

// Forms for lambdas:
// `T` is a constrained type template parameter.
auto f = []<my_concept T> (T v) {
  // ...
};
// `T` is a constrained type template parameter.
auto f = []<typename T> requires my_concept<T> (T v) {
  // ...
};
// `T` is a constrained type template parameter.
auto f = []<typename T> (T v) requires my_concept<T> {
  // ...
};
// `v` is a constrained deduced parameter.
auto f = [](my_concept auto v) {
  // ...
};
// `v` is a constrained non-type template parameter.
auto g = []<my_concept auto v> () {
  // ...
};

requires关键字可以用来启动一个require子句或一个require表达式:

template <typename T>
  requires my_concept<T> // `requires` clause.
void f(T);

template <typename T>
concept callable = requires (T f) { f(); }; // `requires` expression.

template <typename T>
  requires requires (T x) { x + x; } // `requires` clause and expression on same line.
T add(T a, T b) {
  return a + b;
}

注意，requires表达式中的参数列表是可选的。require表达式中的每个需求都是下列要求之一:

Simple requirements - 断言给定表达式是否有效。

template <typename T>
concept callable = requires (T f) { f(); };

Type requirements - 关键字typename后跟一个类型名表示，断言给定的类型名是有效的。

struct foo {
  int foo;
};

struct bar {
  using value = int;
  value data;
};

struct baz {
  using value = int;
  value data;
};

// Using SFINAE, enable if `T` is a `baz`.
template <typename T, typename = std::enable_if_t<std::is_same_v<T, baz>>>
struct S {};

template <typename T>
using Ref = T&;

template <typename T>
concept C = requires {
                     // Requirements on type `T`:
  typename T::value; // A) has an inner member named `value`
  typename S<T>;     // B) must have a valid class template specialization for `S`
  typename Ref<T>;   // C) must be a valid alias template substitution
};

template <C T>
void g(T a);

g(foo{}); // ERROR: Fails requirement A.
g(bar{}); // ERROR: Fails requirement B.
g(baz{}); // PASS.

Compound requirements - 用大括号括起来的表达式，后面跟着返回类型或类型约束。

template <typename T>
concept C = requires(T x) {
  {*x} -> typename T::inner; // the type of the expression `*x` is convertible to `T::inner`
  {x + 1} -> std::same_as<int>; // the expression `x + 1` satisfies `std::same_as<decltype((x + 1))>`
  {x * 1} -> T; // the type of the expression `x * 1` is convertible to `T`
};

Nested requirements - 由requires关键字表示，指定额外的约束(例如本地参数参数)。

template <typename T>
concept C = requires(T x) {
  requires std::same_as<sizeof(x), size_t>;
};

Designated initializers(指定初始化式)

c风格指定初始化式语法。任何未显式列出在指定初始化列表中的成员字段都是默认初始化的。

struct A {
  int x;
  int y;
  int z = 123;
};

A a {.x = 1, .z = 2}; // a.x == 1, a.y == 0, a.z == 2

Template syntax for lambdas(lambda的模板语法)

在lambda表达式中使用熟悉的模板语法。

auto f = []<typename T>(std::vector<T> v) {
  // ...
};

Range-based for loop with initializer(带初始化器的基于范围的for循环)

该特性简化了常见的代码模式，有助于保持范围紧凑，并为常见的生存期问题提供了优雅的解决方案。

for (std::vector v{1, 2, 3}; auto& e : v) {
  std::cout << e;
}
// prints "123"

likely and unlikely attributes(可能和不可能的属性)

向优化器提供提示，说明已标记语句执行的概率很高。

switch (n) {
case 1:
  // ...
  break;

[[likely]] case 2:  // n == 2 is considered to be arbitrarily more
  // ...            // likely than any other value of n
  break;
}

如果一个可能/不太可能的属性出现在If语句的右括号之后，则表明分支可能/不太可能执行其子语句(体)。

int random = get_random_number_between_x_and_y(0, 3);
if (random > 0) [[likely]] {
  // body of if statement
  // ...
}

它也可以应用于迭代语句的子语句(体)。

while (unlikely_truthy_condition) [[unlikely]] {
  // body of while statement
  // ...
}

Deprecate implicit capture of this(不建议隐式捕获)

在lamdba捕获中使用[=]隐式捕获this现在已弃用;更喜欢使用[=，this]或[=，*this]显式捕获。

struct int_value {
  int n = 0;
  auto getter_fn() {
    // BAD:
    // return [=]() { return n; };

    // GOOD:
    return [=, *this]() { return n; };
  }
};

Class types in non-type template parameters(非类型模板形参中的类型)

类现在可以在非类型模板参数中使用。作为模板参数传入的对象的类型为const T，其中T是对象的类型，并且具有静态存储时间。

struct foo {
  foo() = default;
  constexpr foo(int) {}
};

template <foo f>
auto get_foo() {
  return f;
}

get_foo(); // uses implicit constructor
get_foo<foo{123}>();

constexpr virtual functions(constexpr虚函数)

虚函数现在可以是constexpr并在编译时计算。constexpr虚函数可以覆盖非constexpr虚函数，反之亦然。

struct X1 {
  virtual int f() const = 0;
};

struct X2: public X1 {
  constexpr virtual int f() const { return 2; }
};

struct X3: public X2 {
  virtual int f() const { return 3; }
};

struct X4: public X3 {
  constexpr virtual int f() const { return 4; }
};

constexpr X4 x4;
x4.f(); // == 4

explicit(bool)(是否显式)

在编译时有条件地选择构造函数是否显式。explicit(true)与指定explicit相同。

struct foo {
  // Specify non-integral types (strings, floats, etc.) require explicit construction.
  template <typename T>
  explicit(!std::is_integral_v<T>) foo(T) {}
};

foo a = 123; // OK
foo b = "123"; // ERROR: explicit constructor is not a candidate (explicit specifier evaluates to true)
foo c {"123"}; // OK

Immediate functions

类似于constexpr函数，但是带有consteval说明符的函数必须产生一个常量。这些被称为“直接函数”。

consteval int sqr(int n) {
  return n * n;
}

constexpr int r = sqr(100); // OK
int x = 100;
int r2 = sqr(x); // ERROR: the value of `x` is not usable in a constant expression
                 // OK if `sqr` were a `constexpr` function

using enum

将枚举成员引入作用域以提高可读性。之前:

enum class rgba_color_channel { red, green, blue, alpha };

std::string_view to_string(rgba_color_channel channel) {
  switch (channel) {
    case rgba_color_channel::red:   return "red";
    case rgba_color_channel::green: return "green";
    case rgba_color_channel::blue:  return "blue";
    case rgba_color_channel::alpha: return "alpha";
  }
}

之后:

enum class rgba_color_channel { red, green, blue, alpha };

std::string_view to_string(rgba_color_channel my_channel) {
  switch (my_channel) {
    using enum rgba_color_channel;
    case red:   return "red";
    case green: return "green";
    case blue:  return "blue";
    case alpha: return "alpha";
  }
}

Lambda capture of parameter pack(参数包的Lambda捕获)

捕获参数按值包:

template <typename... Args>
auto f(Args&&... args){
    // BY VALUE:
    return [...args = std::forward<Args>(args)] {
        // ...
    };
}

通过引用捕获参数包:

template <typename... Args>
auto f(Args&&... args){
    // BY REFERENCE:
    return [&...args = std::forward<Args>(args)] {
        // ...
    };
}

char8_t

提供表示UTF-8字符串的标准类型。

char8_t utf8_str[] = u8"\u0123";

c++ 20库功能

Concepts library

标准库还提供了用于构建更复杂概念的概念。其中包括:

核心语言概念:

same_as - 指定两种相同的类型。
derived_from - 指定一个类型派生自另一个类型。
convertible_to - 指定一个类型可隐式转换为另一个类型。
common_with - 指定两个类型共享一个公共类型。
integral - 指定类型为整型。
default_constructible - 指定可以默认构造类型的对象。

Comparison concepts:

boolean - 指定可在布尔上下文中使用的类型。
equality_comparable - 指定operator==是一个等价关系。

Object concepts:

movable - 指定可移动和交换某一类型的对象。
copyable - 指定可复制、移动和交换某一类型的对象。
semiregular - 指定某个类型的对象可以被复制、移动、交换和默认构造。
regular - 指定类型为regular，即既为semiregular又为equality_comparable。

Callable concepts:

invocable - 指定可使用给定参数类型集调用可调用类型。
predicate - 指定可调用类型是布尔谓词。

Synchronized buffered outputstream

缓冲包装输出流的输出操作，以确保同步(即输出没有交错)。

std::osyncstream{std::cout} << "The value of x is:" << x << std::endl;

std::span

span是容器的一个视图(即非所有者视图)，它提供了对连续元素组的边界检查访问。由于视图不拥有它们自己的元素，它们的构造和复制成本很低——考虑视图的一种简单方法是它们持有对其数据的引用。跨度可以是动态大小的，也可以是固定大小的。

void f(std::span<int> ints) {
    std::for_each(ints.begin(), ints.end(), [](auto i) {
        // ...
    });
}

std::vector<int> v = {1, 2, 3};
f(v);
std::array<int, 3> a = {1, 2, 3};
f(a);
// etc.

示例:与维护指针和长度字段不同，span将这两个字段打包在一个容器中。

constexpr size_t LENGTH_ELEMENTS = 3;
int* arr = new int[LENGTH_ELEMENTS]; // arr = {0, 0, 0}

// Fixed-sized span which provides a view of `arr`.
std::span<int, LENGTH_ELEMENTS> span = arr;
span[1] = 1; // arr = {0, 1, 0}

// Dynamic-sized span which provides a view of `arr`.
std::span<int> d_span = arr;
span[0] = 1; // arr = {1, 1, 0}
constexpr size_t LENGTH_ELEMENTS = 3;
int* arr = new int[LENGTH_ELEMENTS];

std::span<int, LENGTH_ELEMENTS> span = arr; // OK
std::span<double, LENGTH_ELEMENTS> span2 = arr; // ERROR
std::span<int, 1> span3 = arr; // ERROR

Bit operations

c++ 20提供了一个新的<bit>头，它提供了一些位操作，包括popcount。

std::popcount(0u); // 0
std::popcount(1u); // 1
std::popcount(0b1111`0000u); // 4

Math constants

在<numbers> header中定义的数学常量，包括PI、欧拉数等。

std::numbers::pi; // 3.14159...
std::numbers::e; // 2.71828...

std::is_constant_evaluated

谓词函数，当它在编译时上下文中被调用时为真

constexpr bool is_compile_time() {
    return std::is_constant_evaluated();
}

constexpr bool a = is_compile_time(); // true
bool b = is_compile_time(); // false

std::make_shared supports arrays

auto p = std::make_shared<int[]>(5); // pointer to `int[5]`
// OR
auto p = std::make_shared<int[5]>(); // pointer to `int[5]`

starts_with and ends_with on strings

字符串(和字符串视图)现在有starts_with和ends_with成员函数来检查一个字符串是否以给定的字符串开始或结束。

std::string str = "foobar";
str.starts_with("foo"); // true
str.ends_with("baz"); // false

Check if associative container has element

像集合和映射这样的关联容器有一个“contains”成员函数，它可以用来代替“查找和检查迭代器的结束”习惯用法。

std::map<int, char> map {{1, `a`}, {2, `b`}};
map.contains(2); // true
map.contains(123); // false

std::set<int> set {1, 2, 3};
set.contains(2); // true

std::bit_cast

将对象从一种类型重新解释为另一种类型的更安全的方法。

float f = 123.0;
int i = std::bit_cast<int>(f);

std::midpoint

安全地计算两个整数的中点(不溢出)。

std::midpoint(1, 3); // == 2

std::to_array

将给定的数组/"array-like"对象转换为std::array。

std::to_array("foo"); // returns `std::array<char, 4>`
std::to_array<int>({1, 2, 3}); // returns `std::array<int, 3>`

int a[] = {1, 2, 3};
std::to_array(a); // returns `std::array<int, 3>`

C++ 20语言特性

# Coroutines（协程）

# Concepts（概念）

# Designated initializers(指定初始化式)

# Template syntax for lambdas(lambda的模板语法)

# Range-based for loop with initializer(带初始化器的基于范围的for循环)

# likely and unlikely attributes(可能和不可能的属性)

# Deprecate implicit capture of this(不建议隐式捕获)

# Class types in non-type template parameters(非类型模板形参中的类型)

# constexpr virtual functions(constexpr虚函数)

# explicit(bool)(是否显式)

# Immediate functions

# using enum

# Lambda capture of parameter pack(参数包的Lambda捕获)

# char8_t

# c++ 20库功能

# Concepts library

# Synchronized buffered outputstream

# std::span

# Bit operations

# Math constants

# std::is_constant_evaluated

# std::make_shared supports arrays

# starts_with and ends_with on strings

# Check if associative container has element

# std::bit_cast

# std::midpoint

# std::to_array

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