C++20--- concept 关键字 为模板参数提供了编译期可验证的约束机制

在C++20标准中，concept关键字的引入是模板编程领域的一次重大革新。它解决了传统模板编程中类型约束模糊、错误信息晦涩、代码可读性差等问题，为模板参数提供了编译期可验证的约束机制。

一、concept的本质与核心作用

concept（中文译为"概念"）本质上是编译期谓词，用于描述模板参数必须满足的条件（如支持特定操作、继承自某类、符合特定类型特征等）。其核心作用包括：

1. 约束模板参数：明确限定模板可接受的类型范围，避免非法类型实例化模板。
2. 提升错误信息可读性：当类型不满足约束时，编译器会直接提示"不满足某概念"，而非传统模板中深层实例化的混乱错误。
3. 简化重载决议：通过概念的"强弱"关系，帮助编译器在多个重载模板中选择最匹配的版本。
4. 增强代码可读性 ：用概念名称（如Integral、Addable）替代复杂的SFINAE逻辑，使模板意图更清晰。

二、concept的定义方式

concept的定义需通过template关键字结合约束表达式 （requires表达式）完成，语法有两种形式：

1. 基础定义形式

template <模板参数列表>
concept 概念名称 = 约束表达式;

其中，"约束表达式"可以是：

• 类型特征（如std::is_integral_v<T>）；
• 逻辑组合（如A<T> && B<T>，!C<T>）；
• requires表达式（描述更复杂的约束，如类型需支持特定操作）。

2. 示例：简单概念定义

#include <type_traits>

// 定义"整数类型"概念：要求T是整数类型（排除bool）
template <typename T>
concept Integral = std::is_integral_v<T> && !std::is_same_v<T, bool>;

// 定义"可相加类型"概念：要求a + b合法
template <typename T>
concept Addable = requires (T a, T b) {
  a + b; // 检查表达式"a + b"是否合法
};

三、requires表达式：复杂约束的描述工具

requires表达式是定义概念的核心语法，用于描述类型需满足的操作、类型成员、表达式属性等复杂约束。它有四种形式：

1. 简单要求（Simple Requirements）

检查表达式是否合法（不关心返回值），语法为requires { 表达式; }。

示例：

// 要求T支持自增（++t）和输出（std::cout << t）
template <typename T>
concept IncrementableAndPrintable = requires (T t) {
  ++t;                  // 检查"++t"是否合法
  std::cout << t;       // 检查"cout << t"是否合法
};

2. 类型要求（Type Requirements）

检查类型成员是否存在（如嵌套类型、别名），语法为requires { typename 类型名; }。

示例：

// 要求T有嵌套类型value_type，且value_type可默认构造
template <typename T>
concept HasValueType = requires {
  typename T::value_type;                  // 检查T::value_type存在
  typename std::is_default_constructible<T::value_type>::type;
};

3. 复合要求（Compound Requirements）

不仅检查表达式合法性，还可约束返回值类型或noexcept属性，语法为：
requires { 表达式; } -> 类型约束;

示例：

// 要求a + b合法，且返回值是整数类型
template <typename T>
concept AddableToIntegral = requires (T a, T b) {
  { a + b } -> Integral; // {表达式}捕获返回值，-> 约束其类型
};

// 要求t.clone()不抛异常，且返回T*
template <typename T>
concept Cloneable = requires (T t) {
  { t.clone() } noexcept -> std::same_as<T*>;
};

4. 嵌套要求（Nested Requirements）

在requires表达式中嵌套额外的概念检查或编译期条件，语法为requires { requires 约束; }。

示例：

// 要求T的大小大于4字节，且是可复制的
template <typename T>
concept LargeAndCopyable = requires (T t) {
  requires sizeof(T) > 4;          // 嵌套检查大小
  requires std::is_copyable_v<T>;  // 嵌套检查可复制性
};

四、concept的使用场景

concept可用于约束模板函数、类模板、变量模板等，核心用法包括：

此处例子中的concept已在前文定义（如 Integral、Addable）

1. 约束模板参数（直接指定概念）

在模板参数列表中用概念名替代typename，直接约束参数类型：

// 仅接受Integral概念的类型（如int、long）
template <Integral T>
T sum(T a, T b) {
  return a + b;
}

sum(1, 2);   // 合法（int满足Integral）
sum(1.5, 2); // 编译错误（double不满足Integral）

2. 使用requires子句（后置约束）

在模板声明后用requires子句附加约束，适用于需要多个概念组合的场景：

// 要求T既是Integral又是AddableToIntegral
template <typename T>
requires Integral<T> && AddableToIntegral<T>
T multiply(T a, T b) {
  return a * b;
}

3. 约束auto类型

在变量声明、函数返回值或参数中用concept约束auto，简化代码：

// 变量x必须是Integral类型
Integral auto x = 42; // 合法
// Integral auto y = 3.14; // 编译错误

// 函数返回值必须满足Addable
Addable auto add(Addable auto a, Addable auto b) {
  return a + b;
}

4. 约束类模板

类模板同样可通过concept限制模板参数：

template <Integral T>
class NumberContainer {
private:
  T value;
public:
  NumberContainer(T v) : value(v) {}
  T get() const { return value; }
};

NumberContainer<int> c1(10);   // 合法
// NumberContainer<double> c2(3.14); // 编译错误

五、标准库中的concept

C++标准库在<concepts>头文件中提供了一系列预定义概念，覆盖常见类型约束场景，例如：

概念名称	含义
std::integral	整数类型（int、long等，排除bool）
std::floating_point	浮点类型（float、double等）
std::same_as<T, U>	T与U是同一类型
std::derived_from<T, U>	T是U的派生类
std::convertible_to<T, U>	T可隐式转换为U
std::invocable<F, Args...>	F可被调用，参数为Args...类型

示例：使用标准库概念约束函数：

#include <concepts>

// 要求T可转换为int，且F是可调用对象（参数为T，返回void）
template <std::convertible_to<int> T, std::invocable<T> F>
void process(T t, F f) {
  f(t); // 调用f处理t
}

process(10, [](int x) { std::cout << x; }); // 合法
// process("abc", [](int x) {}); // 编译错误（const char*不可转为int）

六、concept与SFINAE的对比

在C++20之前，模板约束主要依赖SFINAE（替换失败不是错误）机制（如std::enable_if），但存在明显缺陷：

• 代码冗长晦涩：std::enable_if<std::is_integral_v<T>, void>::type 远不如 Integral T 直观。
• 错误信息混乱：SFINAE 错误通常涉及模板替换失败的深层堆栈，难以定位问题。
• 重载逻辑复杂：多个SFINAE约束的优先级难以判断。

concept完美解决了这些问题：

• 语法简洁，意图明确；
• 错误信息直接指向"不满足某概念"；
• 概念的"强弱关系"（如SignedIntegral是Integral的子概念）可明确重载优先级。

七、重载决议与概念的"强弱"

当多个模板重载存在时，编译器会优先选择约束更强 的版本。概念的"强弱"由其约束范围决定：若概念B的约束是A的子集（满足B的类型必满足A），则B比A强。

示例：

template <typename T> concept A = true; // 无实际约束
template <typename T> concept B = A<T> && std::is_integral_v<T>; // B比A强

template <A T> void func(T) { std::cout << "A"; }
template <B T> void func(T) { std::cout << "B"; }

func(10);  // 输出"B"（B更强）
func(3.14); // 输出"A"（double不满足B，只能匹配A）

八、注意事项

1. 避免过度约束：概念应仅描述必要条件，过度约束会降低模板的通用性。
2. 优先使用标准库概念：标准库概念经过严格设计，覆盖多数场景，减少重复定义。
3. 结合constexpr增强灵活性 ：可在requires表达式中使用constexpr函数，实现复杂逻辑约束。
4. 注意概念的传递性 ：若B依赖A，则需确保B的定义中显式包含A的约束（如concept B = A<T> && ...）。