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掌握C++20的革命性特性:Concepts

2024-11-30 02:28

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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  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

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

1.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 
concept C = sizeof(T) == 4;

2.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。

(1) 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 
concept Incrementable = requires(T x) {
    x++;
    ++x;
};

(2) 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 
concept C = requires {
    typename T::value_type;
};

(3) 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 
concept C = requires (T x, T y) {
    { x.swap(y) } noexcept;
};

(4) 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 
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 
concept Comparable = requires(const T a, const T b) {
    { a == b } -> convertible_to;
    { a < b } -> convertible_to;
    // ... 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 
concept IncrementableAndDecrementable = Incrementable && Decrementable;

预定义的标准 Concepts

(1) 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  头文件和 std 命名空间中定义:

此外, 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。

(2) 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 
concept IsDerivedFromFoo = derived_from;

以下 Concept 要求类型 T 可以转换为 bool:

template 
concept IsConvertibleToBool = convertible_to;

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 
concept DefaultAndCopyConstructible = default_initializable && copy_constructible;

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。

来源:coding日记内容投诉

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