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解讀C++即將迎來的重大更新：C++20的四大新特性

 C++20（C++ 編程語言標(biāo)準(zhǔn) 2020 版）將是 C++ 語言一次非常重大的更新，將為這門語言引入大量新特性。近日，C++ 開發(fā)者 Rainer Grimm 正通過一系列博客文章介紹 C++20 的新特性。目前這個系列文章已經(jīng)更新了兩篇，本篇是第一篇，主要介紹了 C++20 的 Big Four（四大新特性：概念、范圍、協(xié)程和模塊）以及核心語言（包括一些新的運算符和指示符）。

C++20 有很多更新，上圖展示了 C++20 更新的概況。下面作者首先介紹 了 C++20 的編譯器支持情況，然后介紹 The Big Four（四大新特性）以及核心語言方面的新特性。

C++20 的編譯器支持

適應(yīng)新特性的最簡單方法是試用它們。那么接下來我們就面臨著這個問題：哪些編譯器支持 C++20 的哪些特性？一般來說，cppreference.com/compiler_support_能提供在核心語言和庫方面的答案。

簡單來說，全新的 GCC、Clang 和 EDG 編譯器能提供對核心語言的最佳支持。此外，MSVC 和 Apple Clang 編譯器也支持許多 C++20 特性。

C++20 核心語言特征。

庫方面的情況類似。GCC 在庫方面的支持最好，接下來是 Clang 和 MSVC 編譯器。

C++20 庫特征。

上面的截圖僅展示了對應(yīng)表格的前面一部分，可以看出這些編譯器的表現(xiàn)并不是非常令人滿意。即使你使用的是全新的編譯器，這些編譯器仍然不支持很多新特性。

通常來說，你能找到嘗試這些新特性的方法。下面是兩個示例：

  • 概念：

GCC 支持概念的前一個版本；

  • std::jthread：

GitHub 上有一個實現(xiàn)草案，來自 Nicolai Josuttis：

https://github.com/josuttis/jthread

簡單來說，問題沒有那么嚴(yán)重。只需要一些調(diào)整修改，很多新特性就能進行嘗試。如有必要，我會提到如何進行這樣的修改。

四大新特性

概念（concept）

使用模板進行通用編程的關(guān)鍵思想是定義能通過各種類型（type）使用的函數(shù)和類。但是，在實例化模板時經(jīng)常會出現(xiàn)用錯類型的問題，其結(jié)果通常是幾頁難懂的報錯信息。

現(xiàn)在概念來了，這個問題可以休矣。概念讓你能為模板編寫要求，而編譯器則可以檢查這個要求。概念革新了我們思考和編寫通用代碼的方式。原因如下：

  • 模板的要求是接口的一部分；
  • 類模板中的函數(shù)重載或特殊化可以基于概念進行；
  • 因為編譯器能夠比較模板參數(shù)的要求與實際的模板參數(shù)，所以能得到更好的報錯信息。

但是，這還不是全部。

  • 你可以使用預(yù)定義的概念，也可以定義你自己的概念；
  • auto 和概念的用法統(tǒng)一到了一起。你可以不使用 auto，而是使用概念；
  • 如果一個函數(shù)聲明使用了一個概念，那么它會自動變成一個函數(shù)模板。由此，編寫函數(shù)模板就變得與編寫函數(shù)一樣簡單。

下面的代碼片段展示了一個簡單概念 Integral 的定義和使用方式：

 
 
 
    
  
  
  
  1. template 
    2.   
  
  
  2. concept bool Integral(){ 
    3.   
  
  
  3.     return std::is_integral::value; 
    4.   
  
  
  4. } 
    5.   
  
  
  5.  
    6.   
  
  
  6. Integral auto gcd(Integral auto a,      
    7.   
  
  
  7.                   Integral auto b){ 
    8.   
  
  
  8.     if( b == 0 ) return a;  
    9.   
  
  
  9.     else return gcd(b, a % b); 
    10.   
  
  
  10. } 
    11.

Integral 這個概念需要 std::is_integral::value 中的類型參數(shù) T。std::is_integral::value 這個函數(shù)來自 type-traits 庫，它能在 T 為整數(shù)檢查編譯時間。如果 std::is_integral::value 的值為 true，則沒有問題。如果不為 true，則你會收到一個編譯時間報錯。如果你很好奇（你也應(yīng)該好奇），我的這篇文章介紹了 type-traits 庫：https://www.modernescpp.com/index.php/tag/type-traits。

gcd 算法是基于歐幾里德算法確定最大公約數(shù)（greatest common divisor）。我使用了這個縮寫函數(shù)模板句法來定義 gcd。gcd 要求其參數(shù)和返回類型支持概念 Integral。gcd 是一類對參數(shù)和返回值都有要求的函數(shù)模板。當(dāng)我刪除這個句法糖（syntactic sugar）時，也許你能看到 gcd 的真正本質(zhì)。

下面這段代碼在語義上與 gcd 算法等效：

 
 
 
    
  
  
  
  1. template 
    2.   
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  3. requires Integral() 
    4.   
  
  
  4.  
    5.   
  
  
  5. T gcd(T a, T b){ 
    6.   
  
  
  6.  
    7.   
  
  
  7.     if( b == 0 ) return a;  
    8.   
  
  
  8.  
    9.   
  
  
  9.     else return gcd(b, a % b); 
    10.   
  
  
  10.  
    11.   
  
  
  11. } 
    12.

如果你還沒看到 gcd 的真正本質(zhì)，過幾周我還會專門發(fā)布一篇介紹概念的文章。

范圍庫（Ranges Library）

范圍庫是概念的首個客戶。它支持的算法滿足以下條件：

可以直接在容器上操作；無需迭代器指定一個范圍；

可以寬松地評估；

可以組合。

簡單來說：范圍庫支持函數(shù)模式（functional patterns）。

代碼可能比語言描述更清楚。下面的函數(shù)用豎線符號展示了函數(shù)組成：

 
 
 
    
  
  
  
  1. #include  
    2.   
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  3. #include  
    4.   
  
  
  4.  
    5.   
  
  
  5. #include  
    6.   
  
  
  6.  
    7.   
  
  
  7. int main(){ 
    8.   
  
  
  8.  
    9.   
  
  
  9.   std::vector ints{0, 1, 2, 3, 4, 5}; 
    10.   
  
  
  10.  
    11.   
  
  
  11.   auto even = [](int i){ return 0 == i % 2; }; 
    12.   
  
  
  12.  
    13.   
  
  
  13.   auto square = [](int i) { return i * i; }; 
    14.   
  
  
  14.  
    15.   
  
  
  15.   for (int i : ints | std::view::filter(even) |  
    16.   
  
  
  16.  
    17.   
  
  
  17.                       std::view::transform(square)) { 
    18.   
  
  
  18.  
    19.   
  
  
  19.     std::cout << i << ' ';             // 0 4 16 
    20.   
  
  
  20.  
    21.   
  
  
  21.   } 
    22.   
  
  
  22.  
    23.   
  
  
  23. } 
    24.

even 是一個 lambda 函數(shù)，其在 i 為偶數(shù)時返回；lambda 函數(shù) square 則會將 i 映射為它的平方。其余的必須從左到右讀取的第 i 個函數(shù)組成：for (int i : ints | std::view::filter(even) | std::view::transform(square)). 將過濾器 even 應(yīng)用于 ints 的每個元素，然后將其余的每個元素映射為它們的平方。如果你熟悉函數(shù)編程，那么這讀起來就像一篇散文詩。

協(xié)程（Coroutines）

協(xié)程是廣義的函數(shù)，能在保持狀態(tài)的同時暫停或繼續(xù)。協(xié)程通常用來編寫事件驅(qū)動型應(yīng)用。事件驅(qū)動型應(yīng)用可以是模擬、游戲、服務(wù)器、用戶接口或算法。協(xié)程也通常被用于協(xié)作式多任務(wù)（cooperative multitasking）。

我們這里不介紹 C++20 的具體協(xié)程，而會介紹編寫協(xié)程的框架。編寫協(xié)程的框架由 20 多個函數(shù)構(gòu)成，其中一部分需要你去實現(xiàn)，另一部分則可能需要重寫。因此，你可以根據(jù)需求調(diào)整協(xié)程。

下面展示了一個特定協(xié)程的用法。下面的程序使用了一個能產(chǎn)生無限數(shù)據(jù)流的生成器：

 
 
 
    
  
  
  
  1. Generator getNext(int start = 0, int step = 1){ 
    2.   
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  3.     auto value = start; 
    4.   
  
  
  4.  
    5.   
  
  
  5.     for (int i = 0;; ++i){ 
    6.   
  
  
  6.  
    7.   
  
  
  7.         co_yield value;            // 1 
    8.   
  
  
  8.  
    9.   
  
  
  9.         value += step; 
    10.   
  
  
  10.  
    11.   
  
  
  11.     } 
    12.   
  
  
  12.  
    13.   
  
  
  13. } 
    14.   
  
  
  14.  
    15.   
  
  
  15. int main() { 
    16.   
  
  
  16.  
    17.   
  
  
  17.     std::cout << std::endl; 
    18.   
  
  
  18.  
    19.   
  
  
  19.     std::cout << "getNext():"; 
    20.   
  
  
  20.  
    21.   
  
  
  21.     auto gen = getNext(); 
    22.   
  
  
  22.  
    23.   
  
  
  23.     for (int i = 0; i <= 10; ++i) { 
    24.   
  
  
  24.  
    25.   
  
  
  25.         gen.next();               // 2 
    26.   
  
  
  26.  
    27.   
  
  
  27.         std::cout << " " << gen.getValue();                   
    28.   
  
  
  28.  
    29.   
  
  
  29.     } 
    30.   
  
  
  30.  
    31.   
  
  
  31.     std::cout << "nn"; 
    32.   
  
  
  32.  
    33.   
  
  
  33.     std::cout << "getNext(100, -10):"; 
    34.   
  
  
  34.  
    35.   
  
  
  35.     auto gen2 = getNext(100, -10); 
    36.   
  
  
  36.  
    37.   
  
  
  37.     for (int i = 0; i <= 20; ++i) { 
    38.   
  
  
  38.  
    39.   
  
  
  39.         gen2.next();             // 3 
    40.   
  
  
  40.  
    41.   
  
  
  41.         std::cout << " " << gen2.getValue(); 
    42.   
  
  
  42.  
    43.   
  
  
  43.     } 
    44.   
  
  
  44.  
    45.   
  
  
  45.     std::cout << std::endl; 
    46.   
  
  
  46.  
    47.   
  
  
  47. } 
    48.

必須補充幾句。這段代碼只是一個代碼段。函數(shù) getNext 是一個協(xié)程，因為它使用了關(guān)鍵字 co_yield。getNext 有一個無限的循環(huán)，其會在 co_yield 之后返回 value。調(diào)用 next()（注釋的 第 2、3 行）會繼續(xù)這個協(xié)程，接下來的 getValue 調(diào)用會獲取這個值。在 getNext 調(diào)用之后，這個協(xié)程再一次暫停。其暫停會一直持續(xù)到下一次調(diào)用 next()。我的這個示例中有一個很大的未知，即 getNext 函數(shù)的返回值 Generator。這部分內(nèi)容很復(fù)雜，后面我在寫協(xié)程的文章中更詳細地介紹。

使用 Wandbox 在線編譯器，我可以向你展示這個程序的輸出：

模塊（Module）

模塊部分簡單介紹一下就好。模塊承諾能夠?qū)崿F(xiàn)：

  • 更快的編譯時間；
  • 宏的隔離；
  • 表達代碼的邏輯結(jié)構(gòu)；
  • 不必再使用頭文件（header file）；
  • 擺脫丑陋的宏方法。

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