解读C++即将迎来的重大更新:C++20的四大新特性

发表于:2020-1-14 09:55  作者:JP Tech等   来源:机器之心

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  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 << "nn";
  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:
  
  模块(Module)
  模块部分简单介绍一下就好。模块承诺能够实现:
  更快的编译时间;
  宏的隔离;
  表达代码的逻辑结构;
  不必再使用头文件(header file);
  摆脱丑陋的宏方法。

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