解读C++即将迎来的重大更新（一）：C++20的四大新特性

2020 年 1 月 10 日 机器之心

选自modernescpp

作者：JP Tech等

机器之心编译

参与：Panda、杜伟

C++20（C++ 编程语言标准 2020 版）将是 C++ 语言一次非常重大的更新，将为这门语言引入大量新特性。近日，C++ 开发者 Rainer Grimm 正通过一系列博客文章介绍 C++20 的新特性。目前这个系列文章已经更新了两篇，本篇是第一篇，主要介绍了 C++20 的 Big Four（四大新特性：概念、范围、协程和模块）以及核心语言（包括一些新的运算符和指示符）。

C++20 有很多更新， 上图展示了 C++20 更新的概况 。下面作者首先介绍了 C++20 的编译器支持情况，然后介绍 The Big Four（四大新特性）以及核心语言方面的新特性。

C++20 的编译器支持

适应新特性的最简单方法是试用它们。那么接下来我们就面临着这个问题：哪些编译器支持 C++20 的哪些特性？一般来说，cppreference.com/compiler_support_能提供在核心语言和库方面的答案。

简单来说，全新的 GCC、Clang 和 EDG 编译器能提供对核心语言的最佳支持。此外，MSVC 和 Apple Clang 编译器也支持许多 C++20 特性。

C++20 核心语言特征。

库方面的情况类似。 GCC 在库方面的支持最好，接下来是 Clang 和 MSVC 编译器。

C++20 库特征。

上面的截图仅展示了对应表格的前面一部分，可以看出这些编译器的表现并不是非常令人满意。即使你使用的是全新的编译器，这些编译器仍然不支持很多新特性。

通常来说，你能找到尝试这些新特性的方法。下面是两个示例：

概念：
GCC 支持概念的前一个版本；
std::jthread：
GitHub 上有一个实现草案，来自 Nicolai Josuttis：
https://github.com/josuttis/jthread

简单来说，问题没有那么严重。只需要一些调整修改，很多新特性就能进行尝试。如有必要，我会提到如何进行这样的修改。

四大新特性

概念（concept）

使用模板进行通用编程的关键思想是定义能通过各种类型（type）使用的函数和类。但是，在实例化模板时经常会出现用错类型的问题，其结果通常是几页难懂的报错信息。

现在概念来了，这个问题可以休矣。概念让你能为模板编写要求，而编译器则可以检查这个要求。概念革新了我们思考和编写通用代码的方式。原因如下：

模板的要求是接口的一部分；
类模板中的函数重载或特殊化可以基于概念进行；
因为编译器能够比较模板参数的要求与实际的模板参数，所以能得到更好的报错信息。

但是，这还不是全部。

你可以使用预定义的概念，也可以定义你自己的概念；
auto 和概念的用法统一到了一起。你可以不使用 auto，而是使用概念；
如果一个函数声明使用了一个概念，那么它会自动变成一个函数模板。由此，编写函数模板就变得与编写函数一样简单。

下面的代码片段展示了一个简单概念 Integral 的定义和使用方式：

template<typename T>
concept bool Integral(){
    return std::is_integral<T>::value;
}

Integral auto gcd(Integral auto a,     
                  Integral auto b){
    if( b == 0 ) return a; 
    else return gcd(b, a % b);
}

Integral 这个概念需要 std::is_integral<T>::value 中的类型参数 T。 std::is_integral<T>::value 这个函数来自 type-traits 库，它能在 T 为整数检查编译时间。如果 std::is_integral<T>::value 的值为 true，则没有问题。如果不为 true，则你会收到一个编译时间报错。如果你很好奇（你也应该好奇），我的这篇文章介绍了 type-traits 库： https://www.modernescpp.com/index.php/tag/type-traits。

gcd 算法是基于欧几里德算法确定最大公约数（greatest common divisor）。我使用了这个缩写函数模板句法来定义 gcd。 gcd 要求其参数和返回类型支持概念 Integral。 gcd 是一类对参数和返回值都有要求的函数模板。当我删除这个句法糖（syntactic sugar）时，也许你能看到 gcd 的真正本质。

下面这段代码在语义上与 gcd 算法等效：

template<typename T>
requires Integral<T>()
T gcd(T a, T b){
    if( b == 0 ) return a; 
    else return gcd(b, a % b);
}

如果你还没看到 gcd 的真正本质，过几周我还会专门发布一篇介绍概念的文章。

范围库（Ranges Library）

范围库是概念的首个客户。它支持的算法满足以下条件：

可以直接在容器上操作；无需迭代器指定一个范围；
可以宽松地评估；
可以组合。

简单来说：范围库支持函数模式（functional patterns）。

代码可能比语言描述更清楚。下面的函数用竖线符号展示了函数组成：

#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::view::filter(even) | 
                      std::view::transform(square)) {
    std::cout << i << ' ';             // 0 4 16
  }
}

even 是一个 lambda 函数，其在 i 为偶数时返回； lambda 函数 square 则会将 i 映射为它的平方。其余的必须从左到右读取的第 i 个函数组成： for (int i : ints | std::view::filter(even) | std::view::transform(square)). 将过滤器 even 应用于 ints 的每个元素，然后将其余的每个元素映射为它们的平方。如果你熟悉函数编程，那么这读起来就像一篇散文诗。

协程（Coroutines）

协程是广义的函数，能在保持状态的同时暂停或继续。协程通常用来编写事件驱动型应用。事件驱动型应用可以是模拟、游戏、服务器、用户接口或算法。协程也通常被用于协作式多任务（cooperative multitasking）。

我们这里不介绍 C++20 的具体协程，而会介绍编写协程的框架。编写协程的框架由 20 多个函数构成，其中一部分需要你去实现，另一部分则可能需要重写。因此，你可以根据需求调整协程。

下面展示了一个特定协程的用法。下面的程序使用了一个能产生无限数据流的生成器：

Generator<int> getNext(int start = 0, int step = 1){
    auto value = start;
    for (int i = 0;; ++i){
        co_yield value;            // 1
        value += step;
    }
}

int main() {

    std::cout << std::endl;

    std::cout << "getNext():";
    auto gen = getNext();
    for (int i = 0; i <= 10; ++i) {
        gen.next();               // 2
        std::cout << " " << gen.getValue();                  
    }

    std::cout << "\n\n";

    std::cout << "getNext(100, -10):";
    auto gen2 = getNext(100, -10);
    for (int i = 0; i <= 20; ++i) {
        gen2.next();             // 3
        std::cout << " " << gen2.getValue();
    }

    std::cout << std::endl;

}

必须补充几句。这段代码只是一个代码段。函数 getNext 是一个协程，因为它使用了关键字 co_yield。 getNext 有一个无限的循环，其会在 co_yield 之后返回 value。调用 next()（注释的第 2、3 行）会继续这个协程，接下来的 getValue 调用会获取这个值。在 getNext 调用之后，这个协程再一次暂停。其暂停会一直持续到下一次调用 next()。我的这个示例中有一个很大的未知，即 getNext 函数的返回值 Generator<int>。这部分内容很复杂，后面我在写协程的文章中更详细地介绍。

使用 Wandbox 在线编译器，我可以向你展示这个程序的输出：