C++20 的新特性

C++20 引入了 Concepts，這是一種用于限制類和函數模板的模板類型和非類型參數的命名要求。Concepts 是作為編譯時評估的謂詞，用于驗證傳遞給模板的模板參數。Concepts 的主要目的是使模板相關的編譯器錯誤更易于人類閱讀。

我們都遇到過這樣的情況：當為類或函數模板提供錯誤的參數時，編譯器會輸出數百行錯誤信息。要從這些編譯器錯誤中找到根本原因并不總是容易的。Concepts 允許編譯器在某些類型約束不滿足時輸出更易讀的錯誤消息。因此，為了獲得有意義的語義錯誤，建議編寫模擬語義要求的 Concepts。避免僅針對語法方面而沒有任何語義意義的 Concepts 驗證，例如，僅檢查類型是否支持 operator+ 的 Concept。這樣的 Concept 只會檢查語法，而不是語義。例如 std::string 支持 operator+，但顯然，它與整數的 operator+ 有完全不同的含義。另一方面，如 sortable（可排序）和 swappable（可交換）等 Concepts 是模擬一些語義意義的好例子。

注意：編寫 Concepts 時，請確保它們模擬語義，而不僅僅是語法。

Concepts 的語法

定義 Concepts 的通用語法如下：

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

它以熟悉的 template<> 規范開始，但與類和函數模板不同，Concepts 永遠不會被實例化。接下來，使用一個新關鍵字 concept，后跟 Concept 的名稱。你可以使用任何你想要的名稱。constraints-expression 可以是任何常量表達式，即任何可以在編譯時評估的表達式。約束表達式必須產生布爾值。約束永遠不會在運行時評估。約束表達式將在下一節中詳細討論。

Concept 表達式的語法如下：

concept-name<argument-list>

Concept 表達式評估為真或假。如果評估為真，則稱給定的模板參數模擬了該 Concept。

Constraints Expression

1.常量表達式

可直接用作 Concept 定義約束的布爾常量表達式必須精確地計算為布爾值，不進行任何類型轉換。例如：

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

2.Requires 表達式

Requires 表達式的語法如下：

requires (parameter-list) { requirements; }

參數列表是可選的。每個要求必須以分號結束。有四種類型的要求：簡單要求、類型要求、復合要求和嵌套要求。

(1) 簡單要求

簡單要求是任意不以 requires 開頭的表達式語句。例如，以下 Concept 定義規定了某種類型 T 必須支持后綴和前綴 ++ 操作符：

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

(2) 類型要求

類型要求驗證某種類型是否有效。例如，以下 Concept 要求某種類型 T 具有 value_type 成員：

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

(3) 復合要求

復合要求用于驗證某事物不拋出異常，以及/或驗證某個方法返回特定類型。例如，以下 Concept 驗證給定類型具有標記為 noexcept 的 swap() 方法：

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

(4) 嵌套要求

Requires 表達式可以包含嵌套要求。例如，這里是一個要求類型大小為 4 字節并支持前綴和后綴增量和減量操作的 Concept：

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

Requires 表達式可以有多個參數，并且可以由一系列要求組成。例如，以下 Concept 要求類型 T 的實例是可比較的：

template <typename T>
concept Comparable = requires(const T a, const T b) {
    { a == b } -> convertible_to<bool>;
    { a < b } -> convertible_to<bool>;
    // ... 對其他比較操作符的類似要求 ...
};

組合 Concept 表達式

使用邏輯運算符組合：

現有的 Concept 表達式可以通過使用邏輯運算符“與”（&&）和“或”（||）來組合。例如，假設您有一個類似于 Incrementable 的 Decrementable Concept；以下示例展示了一個要求類型同時具備增量和減量能力的 Concept：

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

預定義的標準 Concepts

(1) 標準庫中的 Concepts

標準庫定義了一系列預定義的 Concepts，分為多個類別。以下列表給出了每個類別中的一些示例 Concepts，所有這些都在 <concepts> 頭文件和 std 命名空間中定義：

• 核心語言 Concepts：same_as、derived_from、convertible_to、integral、floating_point、copy_constructible 等。
• 比較 Concepts：equality_comparable、totally_ordered 等。
• 對象 Concepts：movable、copyable 等。
• 可調用 Concepts：invocable、predicate 等。

此外，<iterator> 頭文件定義了與迭代器相關的 Concepts，如 random_access_iterator、forward_iterator 等，還定義了算法要求，如 mergeable、sortable、permutable 等。

C++20 范圍庫還提供了一些標準 Concepts。第17章《理解迭代器和范圍庫》詳細討論了迭代器和范圍，而第20章更深入地探討了標準庫提供的算法。

(2) 使用標準 Concepts

如果這些標準 Concepts 滿足您的需求，您可以直接使用它們，無需自己實現。例如，以下 Concept 要求類型 T 是從類 Foo 派生的：

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

以下 Concept 要求類型 T 可以轉換為 bool：

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

這些標準 Concepts 也可以組合成更具體的 Concepts。例如，以下 Concept 要求類型 T 既是默認構造的也是可拷貝構造的：

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

注意：編寫完整且正確的 Concepts 并不總是容易的。如果可能，嘗試使用現有的標準 Concepts 或它們的組合來約束您的類型。