C++20新特性详解

不爱学英文的码字机器2024-11-14 8:18

C++20 是 C++ 语言的一次重要更新，引入了大量新特性，从语言层面和标准库方面进行了诸多改进。新版本的发布为 C++ 程序员带来了更高的灵活性、可读性和性能。在这篇博客中，我们将深入探讨 C++20 中的一些重要特性，包括 Concepts（概念）、Ranges（范围库）、Coroutines（协程）、三方比较运算符（<=>）、Modules（模块）以及更多值得关注的改进。

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一、Concepts（概念）

Concepts 是 C++20 中模板编程的一大增强。传统的模板编程在遇到模板类型不满足需求时，会产生复杂的错误信息，导致编译时间延长。Concepts 旨在通过为模板参数添加约束条件，从而限制模板的类型，提高代码的可读性和安全性。

示例

cpp 复制代码 
#include <concepts>
#include <iostream>

template <typename T>
concept Number = std::integral<T> || std::floating_point<T>;

template <Number T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

int main() {
    std::cout << add(1, 2) << std::endl;   // 可以编译
    // std::cout << add("hello", "world"); // 编译失败，不满足 Number 概念
    return 0;
}

在这个例子中，Number 是一个概念，用于约束 add 函数的模板参数，使其只能接受整数或浮点数，而不能接受其他类型。Concepts 使得错误信息更加清晰，有助于快速定位问题，优化了模板编程体验。

二、Ranges（范围库）

Ranges 是 C++20 中标准库新增的一部分，旨在简化容器的操作，让代码更加清晰和直观。通过 Ranges 库，我们可以用链式的方式对容器执行多种操作，避免了中间变量的创建，提高了代码的可读性和性能。

示例

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <ranges>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5, 6};

    // 使用 Ranges 库筛选和转换数据
    auto result = vec | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; })
                      | std::views::transform([](int n) { return n * n; });

    for (int n : result) {
        std::cout << n << " "; // 输出: 4 16 36
    }
    return 0;
}

在这个例子中，我们通过 filter 筛选出偶数，然后使用 transform 将每个偶数平方。Ranges 让我们可以以流式、链式的方式操作容器，避免使用多层循环和冗长的迭代器代码，从而使代码更加简洁。

三、Coroutines（协程）

协程 是 C++20 中的一个重要特性，允许函数在执行过程中挂起并恢复，而不需要阻塞线程。协程特别适合用于异步编程、生成器和迭代器等场景。

示例

cpp 复制代码 
#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <memory>

struct Generator {
    struct promise_type {
        int current_value;

        auto get_return_object() { return Generator{this}; }
        auto initial_suspend() { return std::suspend_always{}; }
        auto final_suspend() noexcept { return std::suspend_always{}; }
        void return_void() {}
        auto yield_value(int value) {
            current_value = value;
            return std::suspend_always{};
        }
        void unhandled_exception() { std::terminate(); }
    };

    using handle_type = std::coroutine_handle<promise_type>;

    handle_type coro_handle;

    explicit Generator(promise_type* p)
        : coro_handle(handle_type::from_promise(*p)) {}

    ~Generator() { coro_handle.destroy(); }

    bool move_next() {
        coro_handle.resume();
        return !coro_handle.done();
    }

    int current_value() { return coro_handle.promise().current_value; }
};

Generator counter() {
    for (int i = 0; i < 5; ++i)
        co_yield i;
}

int main() {
    auto gen = counter();
    while (gen.move_next()) {
        std::cout << gen.current_value() << " ";
    }
    return 0;
}

协程提供了关键字 co_yield 和 co_return，用于生成值并挂起执行，使函数可以在需要时恢复。协程的优势在于，它可以在需要时暂停和恢复，提供了更好的性能和灵活性，特别是在异步和并发场景中。

四、三向比较运算符（<=>）

C++20 引入了三向比较运算符（<=>），也称为"飞船运算符"，使比较操作更加简洁。该运算符可以自动生成 <, >, <=, >= 等操作符，实现了更具表现力的排序功能。

示例

cpp 复制代码 
#include <iostream>
#include <compare>

struct Person {
    std::string name;
    int age;

    auto operator<=>(const Person&) const = default;
};

int main() {
    Person alice{"Alice", 30};
    Person bob{"Bob", 25};

    if (alice < bob)
        std::cout << "Alice is younger than Bob" << std::endl;
    else
        std::cout << "Alice is older than or the same age as Bob" << std::endl;

    return 0;
}

三向比较运算符允许我们直接通过 operator<=> 生成所有的比较运算符，省去了手动定义多个比较函数的麻烦。对于类似 Person 这样的结构体，使用默认的 <=> 可以自动生成默认的成员比较功能。

五、Modules（模块）

模块 是 C++20 引入的另一个重要特性，旨在替代传统的头文件，减少编译时间，提升代码的模块化和封装性。传统的头文件引入了大量的重复编译，而模块可以避免这种情况，通过更高效的方式组织代码。

示例

模块的使用分为模块定义和模块导入两个部分。

cpp 复制代码 
// math_module.ixx (模块定义)
export module math_module;

export int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// main.cpp (模块导入)
import math_module;
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << add(1, 2) << std::endl;
    return 0;
}

在上面的例子中，我们定义了一个 math_module 模块，并导入该模块以使用其中的 add 函数。模块提高了代码的可维护性，减少了编译时间，避免了传统头文件的多次包含带来的问题。

六、扩展特性与改进

除了上述几个核心特性，C++20 还引入了一些其他实用的新特性：

1. 范围 for 循环的 initializer 支持

在 C++20 中，范围 for 循环支持初始化器，这使得我们可以在循环中定义临时变量，简化了代码结构。

cpp 复制代码 
#include <vector>
#include <iostream>

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

    for (auto it = vec.begin(); auto& value : vec) {
        std::cout << value << " ";
    }
    return 0;
}

2. std::span

std::span 是 C++20 引入的轻量级视图，用于处理一段连续的内存。它不拥有数据，仅作为对数据的一个"窗口"或"视图"。std::span 可以用来替代传统的指针和大小参数组合，使得接口更加安全和直观。

cpp 复制代码 
#include <span>
#include <iostream>

void print(std::span<int> data) {
    for (int value : data) {
        std::cout << value << " ";
    }
}

int main() {
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    print(arr);
    return 0;
}

std::span 提供了方便的数据访问方式，同时避免了指针的使用，提高了接口的安全性。

总结

C++20 的发布为 C++ 带来了许多变革性的特性，极大地提升了语言的可用性和表达能力。从 Concepts 到 Modules，再到协程和 Ranges，C++20 提供了更强大的工具来处理现代编程中的各种挑战。

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