《 C++ 零基础入门教程》第10章：C++20 核心特性 —— 编写更现代、更优雅的 C++

✅ 本篇目标：

• 掌握 Concepts：写出清晰、可读、易调试的模板
• 使用 Ranges：以管道风格编写 STL 算法
• 初识 协程（Coroutines）：简化异步与生成器
• 了解 模块（Modules）：告别头文件，加速编译
• 实战整合：用 C++20 重写成绩分析系统
  🕒 建议学习时间：3--4 小时｜可分多次完成

💡 本篇将让你站在 C++ 开发的最前沿！

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📘 C++ 零基础入门教程（第 10 篇）

C++20 核心特性 ------ 编写更现代、更优雅的 C++

⚠️ 注意：需使用支持 C++20 的编译器（如 GCC 10+、Clang 13+、MSVC 19.29+）

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第一步：Concepts ------ 给模板加上"类型约束"

❌ 传统模板的问题

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

int main() {
    add(3, 5);        // ✅ OK
    add("Hi", "Bye"); // ❌ 编译失败！但错误信息长达百行！
}

🔥 问题：模板对类型无限制，错误信息晦涩难懂。

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✅ C++20 Concepts：明确约束

#include <concepts>

// 定义概念：支持加法的类型
template<typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {
    a + b; // 表达式必须合法
};

// 使用概念约束模板
template<Addable T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

// 或更简洁（C++20 简写语法）
auto add2(Addable auto a, Addable auto b) {
    return a + b;
}

✅ 现在调用 add("Hi", "Bye") 会得到清晰错误：

error: no matching function for call to 'add'
note: candidate template ignored: constraints not satisfied

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常用标准概念（<concepts>）

概念	含义
std::integral<T>	整数类型（int, long...）
std::floating_point<T>	浮点类型（float, double）
std::equality_comparable<T>	支持 == 和 !=
std::totally_ordered<T>	支持 <, >, <=, >=

示例：只接受数字类型

double average(std::floating_point auto x, std::floating_point auto y) {
    return (x + y) / 2.0;
}

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第二步：Ranges ------ STL 的现代化革命

❌ 传统 STL 算法：冗长、嵌套、难读

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

// 找出偶数并平方
std::copy_if(nums.begin(), nums.end(), std::back_inserter(evens),
             [](int x) { return x % 2 == 0; });

std::transform(evens.begin(), evens.end(), evens.begin(),
               [](int x) { return x * x; });

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✅ C++20 Ranges：管道式链式调用

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

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

    auto result = nums 
        | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 0; })
        | std::views::transform([](int x) { return x * x; });

    for (int x : result) {
        std::cout << x << " "; // 输出: 4 16
    }
}

🔑 关键点：

• | 是管道操作符（类似 Linux shell）
• std::views::filter / transform 返回惰性视图（不立即计算）
• 内存高效，组合性强

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常用 Views

View	作用
filter(pred)	筛选满足条件的元素
transform(func)	对每个元素应用函数
take(n)	取前 n 个元素
drop(n)	跳过前 n 个元素
reverse	逆序

示例：取前 3 个大于 10 的偶数的平方

auto processed = data
    | std::views::filter([](int x) { return x > 10 && x % 2 == 0; })
    | std::views::transform([](int x) { return x * x; })
    | std::views::take(3);

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第三步：协程（Coroutines）--- 异步与生成器的新范式

协程允许函数暂停执行并稍后恢复，非常适合：

• 异步 I/O（网络、文件）
• 生成器（惰性序列）
• 状态机

💡 C++20 协程是底层机制，通常通过库（如 cppcoro）使用。

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示例：生成器（Generator）

// 简化版生成器（需 cppcoro 或自定义）
generator<int> fibonacci() {
    int a = 0, b = 1;
    while (true) {
        co_yield a;     // 暂停并返回 a
        auto next = a + b;
        a = b;
        b = next;
    }
}

int main() {
    auto gen = fibonacci();
    for (int i = 0; i < 10; ++i) {
        std::cout << *gen << " ";
        ++gen;
    }
    // 输出: 0 1 1 2 3 5 8 13 21 34
}

⚠️ 注意：标准库尚未提供 generator，但许多库已支持（如 Microsoft/cppcoro）。

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第四步：模块（Modules）--- 告别头文件！

❌ 传统头文件的问题

• 重复包含（需 #ifndef）
• 编译速度慢（每次都要解析头文件）
• 宏污染、符号冲突

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✅ C++20 模块：干净、快速、安全

1. 创建模块（math.ixx 或 math.cppm）

// math.ixx
export module math;

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

    double pi = 3.14159;
}

2. 导入模块

// main.cpp
import math;
import <iostream>;

int main() {
    std::cout << math::add(2, 3) << "\n";
    std::cout << math::pi << "\n";
}

3. 编译（GCC 示例）

g++ -std=c++20 -fmodules-ts -xc++-system-header iostream
g++ -std=c++20 -fmodules-ts -c math.ixx -o math.o
g++ -std=c++20 -fmodules-ts main.cpp math.o -o app

🎯 优势：

• 编译速度提升 5--10 倍（实测）
• 无宏污染
• 明确导出接口（export 控制可见性）

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第五步：实战整合 ------ C++20 成绩分析系统

我们将用 C++20 特性重写第 7 篇的成绩系统。

// grade_analysis_cpp20.cpp
import <iostream>;
import <vector>;
import <string>;
import <ranges>;

struct Student {
    std::string name;
    double score;
};

// 约束：Student 必须可比较分数
template<typename T>
concept HasScore = requires(T t) {
    t.score;
    requires std::floating_point<decltype(t.score)>;
};

auto getTopStudents(std::vector<Student> students, size_t topN) {
    // 按分数降序排序
    std::ranges::sort(students, std::greater{}, &Student::score);

    // 取前 N 名（惰性）
    auto topView = students 
        | std::views::take(topN)
        | std::views::transform([](const Student& s) {
              return s.name + ": " + std::to_string(s.score);
          });

    return std::vector<std::string>(topView.begin(), topView.end());
}

int main() {
    std::vector<Student> students = {
        {"Alice", 95}, {"Bob", 88}, {"Charlie", 92}, {"David", 97}
    };

    auto top3 = getTopStudents(students, 3);
    for (const auto& info : top3) {
        std::cout << info << "\n";
    }
}

✅ 输出：

David: 97.000000
Alice: 95.000000
Charlie: 92.000000

🎉 亮点：

• 使用 std::ranges::sort 直接按成员排序
• 管道式数据处理，逻辑清晰
• 概念约束确保类型安全

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📌 本篇小结：C++20 四大支柱

特性	价值
Concepts	模板约束，错误信息友好，接口清晰
Ranges	管道式 STL，组合性强，惰性求值
协程	简化异步、生成器、状态机
模块	替代头文件，加速编译，避免污染

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🎓 全系列总结：你已成为现代 C++ 开发者！

阶段	能力
第 1--3 篇	掌握 C++ 基础与面向对象
第 4--5 篇	熟练使用 STL 与智能指针
第 6--7 篇	编写泛型、异常安全、可测试代码
第 8--9 篇	实现高性能并发与移动语义
第 10 篇	掌握 C++20，迈向未来

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✅ 下一步建议

1. 深入学习 ：
   • 《Effective Modern C++》 by Scott Meyers
   • C++ Core Guidelines（isocpp.org）
2. 参与开源：GitHub 上找 C++20 项目贡献
3. 探索领域 ：
   • 游戏开发（Unreal Engine）
   • 高频交易
   • 嵌入式/系统编程
   • 机器学习基础设施（PyTorch/TensorRT）

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🌟 最后的话

从 cout << "Hello World"; 到 C++20 协程与模块 ，你走完了从零到现代 C++ 工程师的完整旅程。
C++ 是一门需要敬畏的语言，但也回报以极致的性能与控制力。

"C++ is not now and never has been a language for beginners."

--- Bjarne Stroustrup（C++ 之父）

坚持学习，持续实践，你完全有能力构建世界级的系统。

愿你的代码高效、安全、优雅！

------ C++ 零基础入门教程系列 完 ------