C++ 新特性 | C++20 常用新特性介绍

[5、三向比较符（three-way comparison）](#5、三向比较符（three-way comparison）)

C++软件异常排查从入门到精通系列教程（专栏文章列表，欢迎订阅，持续更新...）https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/125529931 C/C++实战进阶（专栏文章已更新390多篇，持续更新中...）https://blog.csdn.net/chenlycly/category_11931267.html Windows C++ 软件开发从入门到精通（专栏文章，持续更新中...）https://blog.csdn.net/chenlycly/category_12695902.html VC++常用功能开发汇总（专栏文章列表，欢迎订阅，持续更新...）https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/124272585 C++软件分析工具从入门到精通案例集锦（专栏文章，持续更新中...）https://blog.csdn.net/chenlycly/article/details/131405795 开源组件及数据库技术（专栏文章，持续更新中...）https://blog.csdn.net/chenlycly/category_12458859.html 网络编程与网络问题分享（专栏文章，持续更新中...）https://blog.csdn.net/chenlycly/category_2276111.html C++20是C++标准委员会于2020年12月发布的新标准，作为C++17的后继版本，C++20引入了许多新的特性和改进，旨在提高C++的表现力、可读性和可维护性，同时保持其高效性和灵活性。下面介绍一下C++20的一些新特性。

很多C++开源库会大规模地使用C++11及以上的新特性，比如WebRTC开源库，所以在阅读开源代码时需要了解C++11及以上新特性。我们在日常编码中会用到部分新特性，比如一些新的关键字（auto、nullptr、override、final等）、lambda表达式（匿名函数）、智能指针等。此外，现在很多C++开发岗位在面试时都会问到C++11或以上的新特性方面的内容。所以学习C++11及以上的新特性很有必要！

C++新标准引入的诸多新特性，解决了语言上的部分缺陷，使得C++更得加高效灵活！但也使得C++变得更加臃肿复杂，更加难以驾驭！

1、模块(Modules)

C++20中的模块(Modules)是用来取代头文件包含(include)的一种新的代码组织方式。模块可以提高编译速度,也增加了封装性。

使用模块的步骤如下：

1）创建模块接口文件(.ixx文件),定义要导出的接口：

cpp 复制代码

// hello.ixx
export module hello;

export void sayHello();

2）创建模块实现文件(.cpp文件),实现接口：

cpp 复制代码

// hello.cpp
module hello;

void sayHello() 
{
  std::cout << "Hello World!\n"; 
}

3）在使用模块的文件中导入模块：

cpp 复制代码

// main.cpp 
import hello;

int main() 
{
  sayHello();
}

4）编译时需要添加-fmodules-ts参数。

模块的好处是可以明确定义公开的接口,也避免头文件包含导致的重复定义等问题。编译生成的二进制格式可以跨平台兼容。但模块目前还没有被所有编译器广泛支持。

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2、协程(Coroutines)

C++20引入了协程支持，执行一些异步的任务，使得异步编程更加方便和可读。协程是一种轻量级的并发机制，可以简化异步编程和无阻塞IO的处理。

协程的基本语法是：

cpp 复制代码

// 定义一个协程
coroutine<返回值类型> 协程名称();

// 使用 co_await 语句暂停/恢复协程
co_await some_expression; 

// 协程最后需要一个 co_return 语句返回值
co_return some_value;

使用协程的实例：

cpp 复制代码

#include <coroutine>

task<int> getValue() 
{
  int value = co_await getValueFromNetwork();
  
  // do something
 
  co_return value; 
}

int main() 
{
  auto result = getValue(); // 不会堵塞
  
  auto value = result.get(); // 获取协程返回值
  
}

在上面代码中,getValue() 被定义为一个协程，它可以通过co_await语句暂停自身，等待getValueFromNetwork()完成网络操作后再继续执行。

主函数调用getValue()只会启动协程任务，并不会堵塞，可以同时干其他事情。后面再通过result.get()来获取协程执行结束后的返回值。这样就可以实现一种异步的编程模式了。

3、概念(Concepts)

C++20引入了概念(Concepts)，这是一种新的语言特性，用于对模板参数进行约束。它允许开发者以更直观和可理解的方式表达模板的约束条件，从而简化模板编程并提高代码的可读性。概念可以明确地指定模板参数需要满足的要求，使代码更清晰易懂。

定义一个概念的语法如下：

cpp 复制代码

template <typename T>
concept MyConcept = requires(T t) {
  t.someOperation();
};

实例1：限定类型必须是可increment的：

cpp 复制代码

concept Incrementable = requires(T x) {
  ++x; // 必须支持++运算  
};

template <Incrementable T>
void incTwice(T &num) 
{
  ++num;
  ++num;
}

incTwice(a); // 编译失败,如果a不支持++

实例2：限定类型必须可比较：

cpp 复制代码

concept EqualityComparable = requires(T a, T b) {
  {a == b} -> bool; // 必须可比较
};

template <EqualityComparable T>
bool isEqual(T a, T b) {
  return a == b; 
}

实例3：使用嵌套约束：

cpp 复制代码

concept NestedConstraint = EqualityComparable && Incrementable; 

template <NestedConstraint T>
void func(T x) {
  //...
}

实例4：约束类的属性和行为:

cpp 复制代码

concept Drawable = requires(T x) {
  x.draw();   // 必须有draw方法
  x.x;        // 必须有x坐标
  x.y;        // 必须有y坐标
};

以前在C++模板中，无法对传递进来的类型进行有效性检查，只能简单地使用或不使用，容易造成难以调试的错误，概念允许我们明确地定义模板参数需要满足哪些条件，比如必须有某个成员函数，必须可转换为某种类型等。如果传入的类型不满足概念的要求，会直接导致编译错误，使问题更早暴露。

4、范围(Ranges)

C++20新增了一个统一且功能强大的范围操作库，简化了对容器、视图以及迭代器的处理。Ranges库提供了一套丰富的算法和工具，使得处理数据序列变得更加直观和高效。

Ranges库主要特点包括:

引入范围range的抽象概念,如数组、容器都可以视为一个range。

统一开始和结束的迭代器概念为range的begin和end。

算法可以直接作用于不同的range上,而不仅仅是容器。

支持各种新的range Adaptor,可以将范围进行转换、过滤等。

下面是一个使用范围的简单例子：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <ranges>
#include <vector>

int main() 
{
  std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5}; 

  // 用基于范围的for循环迭代
  for (int i : vec | std::views::filter([](int i){return i % 2 == 0;})) 
  {
    std::cout << i << " "; 
  }

  // 输出:2 4
}

这里通过views::filter() adapter将vec转换为一个过滤后的range,然后用range-based for循环进行迭代。

这种基于范围的编程方式可以大大简化迭代操作，而且可重用性强，非常适合函数式编程范式。

算法作用于范围的实例：

cpp 复制代码

std::vector<int> vec = {3,1,4,5,2};

std::ranges::sort(vec); 

// 输出 1 2 3 4 5
for (int i : vec) 
{
  std::cout << i << " ";
}

总之，范围大大简化了迭代器和算法的使用，是C++现代化编程方式的重要进步。

5、三向比较符（three-way comparison）

C++20 引入了 <=> 三向比较运算符,可以用来替代之前的 ==,!=,<,<=,>]>= 等二元比较运算符。三向比较运算符按照下面的规则进行比较：

如果左边小于右边，返回 -1

如果左边等于右边，返回 0

如果左边大于右边，返回 1

一些使用三向比较运算符的示例：

cpp 复制代码

int a = 1, b = 2;

if (a <=> b == -1) {
  // a < b
} 

if (a <=> b == 0) { 
  // a == b
}

if (a <=> b == 1) {
  // a > b
}

std::sort(vec.begin(), vec.end(), [](int a, int b) {
  return a <=> b; // 升序
});

三向比较运算符提高了代码可读性，也统一了所有比较操作的方式。编译器可以更好地优化三向比较。总体来说，三向比较使代码更简洁易读，也更符合现代C++的编程思想，可以替代传统的二元比较运算符。