C++20： 概念 concept

C++20 中的 Concepts（概念）

概述

Concepts（概念）是 C++20 引入的一项重要特性，用于对模板参数进行约束和检查。通过使用 Concepts，开发者可以在编译期对模板参数的类型和行为进行验证，从而提高代码的可读性、可维护性和错误信息的清晰度。

为什么需要 Concepts？

• 提高代码可读性：使用 Concepts 可以明确表达模板参数所需满足的条件，使代码意图更加清晰。
• 改进错误信息：在没有 Concepts 的情况下，模板错误可能会产生难以理解的编译错误信息。Concepts 提供了更直观和易于理解的错误报告。
• 增强代码可靠性：在编译期对模板参数进行验证，减少运行时错误的可能性。
• 简化模板编写：避免编写大量的 static_assert 或 SFINAE（替换失败并非错误）代码，提高模板编写的效率。

基本语法

1. 定义一个 Concept

template<typename T>
concept ConceptName = requires(T a) {
    // 约束条件
    { a.method() } -> std::convertible_to<int>;
    { a + a } -> std::same_as<T>;
};

2. 在模板中使用 Concept

• 作为模板参数约束

template<ConceptName T>
void function(T param) {
    // 函数实现
}

• 使用 requires 子句

template<typename T>
requires ConceptName<T>
void function(T param) {
    // 函数实现
}

• 内联 requires 表达式

template<typename T>
void function(T param) requires requires(T a) {
    { a.method() } -> std::convertible_to<int>;
} {
    // 函数实现
}

示例

1. 定义一个简单的 Concept

假设我们希望约束模板参数必须支持加法操作：

#include <concepts>

template<typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {
    { a + b } -> std::convertible_to<T>;
};

void add(Addable auto a, Addable auto b) {
    auto result = a + b;
    // ...
}

2. 使用标准库提供的 Concept

C++20 提供了一些预定义的 Concepts，如 std::integral、std::floating_point 等。

#include <concepts>

template<std::integral T>
T gcd(T a, T b) {
    while (b != 0) {
        T temp = b;
        b = a % b;
        a = temp;
    }
    return a;
}

3. 定义更复杂的 Concept

#include <concepts>
#include <iterator>

template<typename T>
concept Iterable = requires(T t) {
    { std::begin(t) } -> std::input_iterator;
    { std::end(t) } -> std::sentinel_for<decltype(std::begin(t))>;
};

template<Iterable T>
void print_elements(const T& container) {
    for (const auto& elem : container) {
        std::cout << elem << " ";
    }
}

Concepts 的使用方式

1. 简化函数重载和特化

在没有 Concepts 的情况下，我们可能会使用 enable_if 或 SFINAE 来进行函数重载。有了 Concepts，代码变得更简洁：

// 使用 Concepts
void process(std::integral auto value) {
    std::cout << "Processing integral: " << value << std::endl;
}

void process(std::floating_point auto value) {
    std::cout << "Processing floating point: " << value << std::endl;
}

2. 改进模板错误信息

考虑以下代码：

template<typename T>
requires std::integral<T>
T increment(T value) {
    return value + 1;
}

int main() {
    increment(10);       // 正确
    increment(3.14);     // 编译错误，错误信息明确指出类型不满足 std::integral
}

编译器会给出清晰的错误信息，指出 double 类型不满足 std::integral 要求。

总结

Concepts 为 C++ 模板编程带来了强大的类型约束机制，使得模板代码更加健壮、可读和易于维护。通过在编译期进行类型检查，Concepts 帮助开发者更早地发现错误，并提供更直观的错误信息。

参考

• C++ 官方文档
• ISO C++ 标准草案