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掌握C++20的革命性特性：Concepts

C++20 的新特性

C++20 引入了 Concepts，这是一种用于限制类和函数模板的模板类型和非类型参数的命名要求。Concepts 是作为编译时评估的谓词，用于验证传递给模板的模板参数。Concepts 的主要目的是使模板相关的编译器错误更易于人类阅读。

我们都遇到过这样的情况：当为类或函数模板提供错误的参数时，编译器会输出数百行错误信息。要从这些编译器错误中找到根本原因并不总是容易的。Concepts 允许编译器在某些类型约束不满足时输出更易读的错误消息。因此，为了获得有意义的语义错误，建议编写模拟语义要求的 Concepts。避免仅针对语法方面而没有任何语义意义的 Concepts 验证，例如，仅检查类型是否支持 operator+ 的 Concept。这样的 Concept 只会检查语法，而不是语义。例如 std::string 支持 operator+，但显然，它与整数的 operator+ 有完全不同的含义。另一方面，如 sortable（可排序）和 swappable（可交换）等 Concepts 是模拟一些语义意义的好例子。

注意：编写 Concepts 时，请确保它们模拟语义，而不仅仅是语法。

Concepts 的语法

定义 Concepts 的通用语法如下：

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

它以熟悉的 template<> 规范开始，但与类和函数模板不同，Concepts 永远不会被实例化。接下来，使用一个新关键字 concept，后跟 Concept 的名称。你可以使用任何你想要的名称。constraints-expression 可以是任何常量表达式，即任何可以在编译时评估的表达式。约束表达式必须产生布尔值。约束永远不会在运行时评估。约束表达式将在下一节中详细讨论。

Concept 表达式的语法如下：

concept-name<argument-list>

Concept 表达式评估为真或假。如果评估为真，则称给定的模板参数模拟了该 Concept。

Constraints Expression

常量表达式

可直接用作 Concept 定义约束的布尔常量表达式必须精确地计算为布尔值，不进行任何类型转换。例如：

template <typename T>
concept C = sizeof(T) == 4;

Requires 表达式

Requires 表达式的语法如下：

requires (parameter-list) { requirements; }

参数列表是可选的。每个要求必须以分号结束。有四种类型的要求：简单要求、类型要求、复合要求和嵌套要求。

简单要求

简单要求是任意不以 requires 开头的表达式语句。例如，以下 Concept 定义规定了某种类型 T 必须支持后缀和前缀 ++ 操作符：

template <typename T>
concept Incrementable = requires(T x) {x++;++x;
};

类型要求

类型要求验证某种类型是否有效。例如，以下 Concept 要求某种类型 T 具有 value_type 成员：

template <typename T>
concept C = requires {typename T::value_type;
};

复合要求

复合要求用于验证某事物不抛出异常，以及/或验证某个方法返回特定类型。例如，以下 Concept 验证给定类型具有标记为 noexcept 的 swap() 方法：

template <typename T>
concept C = requires (T x, T y) {{ x.swap(y) } noexcept;
};

嵌套要求

Requires 表达式可以包含嵌套要求。例如，这里是一个要求类型大小为 4 字节并支持前缀和后缀增量和减量操作的 Concept：

template <typename T>
concept C = requires (T t) {requires sizeof(t) == 4;++t;--t;t++;t--;
};

Requires 表达式可以有多个参数，并且可以由一系列要求组成。例如，以下 Concept 要求类型 T 的实例是可比较的：

template <typename T>
concept Comparable = requires(const T a, const T b) {{ a == b } -> convertible_to<bool>;{ a < b } -> convertible_to<bool>;// ... 对其他比较操作符的类似要求 ...
};

组合 Concept 表达式

使用逻辑运算符组合

现有的 Concept 表达式可以通过使用逻辑运算符“与”（&&）和“或”（||）来组合。例如，假设您有一个类似于 Incrementable 的 Decrementable Concept；以下示例展示了一个要求类型同时具备增量和减量能力的 Concept：

template <typename T>
concept IncrementableAndDecrementable = Incrementable<T> && Decrementable<T>;

预定义的标准 Concepts

标准库中的 Concepts

标准库定义了一系列预定义的 Concepts，分为多个类别。以下列表给出了每个类别中的一些示例 Concepts，所有这些都在 <concepts> 头文件和 std 命名空间中定义：

• 核心语言 Concepts：same_as、derived_from、convertible_to、integral、floating_point、copy_constructible 等。
• 比较 Concepts：equality_comparable、totally_ordered 等。
• 对象 Concepts：movable、copyable 等。
• 可调用 Concepts：invocable、predicate 等。

此外，<iterator> 头文件定义了与迭代器相关的 Concepts，如 random_access_iterator、forward_iterator 等，还定义了算法要求，如 mergeable、sortable、permutable 等。

C++20 范围库还提供了一些标准 Concepts。第17章《理解迭代器和范围库》详细讨论了迭代器和范围，而第20章更深入地探讨了标准库提供的算法。

使用标准 Concepts

如果这些标准 Concepts 满足您的需求，您可以直接使用它们，无需自己实现。例如，以下 Concept 要求类型 T 是从类 Foo 派生的：

template <typename T>
concept IsDerivedFromFoo = derived_from<T, Foo>;

以下 Concept 要求类型 T 可以转换为 bool：

template <typename T>
concept IsConvertibleToBool = convertible_to<T, bool>;

这些标准 Concepts 也可以组合成更具体的 Concepts。例如，以下 Concept 要求类型 T 既是默认构造的也是可拷贝构造的：

template <typename T>
concept DefaultAndCopyConstructible = default_initializable<T> && copy_constructible<T>;

注意：编写完整且正确的 Concepts 并不总是容易的。如果可能，尝试使用现有的标准 Concepts 或它们的组合来约束您的类型。