Самые полезные новинки C++ 20

Библиотека концепций C++

Библиотека определяет фундаментальные понятия, которые могут быть использованы для диспетчеризации функций и проверки аргументов шаблона во время компиляции, на основе свойств типов. Концепции нужны для того, чтобы можно было избежать логических противоречий между свойствами типов данных внутри шаблона и таковыми входных параметров. Концепция должна определяться в пределах пространства имен и имеет следующий вид.

template <список параметров>

concept concept-name = constraint-expression;

...

<i>// concept</i>

template <class T, class U>

concept Derived = std::is_base_of<U, T>::value;

Каждая концепция является предикатом, который оценивается при компиляции и становится частью интерфейса шаблона, где используется в качестве ограничения:

#include <string>

#include <cstddef>

#include <concepts>

template<typename T>

concept Sorter = requires(T a) {

    { std::hash<T>{}(a) } -> std::convertible_to<std::size_t>;

};

struct asdf {};

template<Sorter T>

void f(T) {}

int main() {

  using std::operator«»s;

  f(«abc»s); <i>// Верно, std::string удовлетворяет условиям Sorter</i>

  <i>//f(asdf{}); // Ошибка: asdf не удовлетворяет условиям Sorter</i>

}

Вслед за директивами #include следует объявление концепции Sorter, которой удовлетворяет любой тип T такой, что для значений a типа T компилируется выражение std::hash{}(a), а его результат преобразуется в std::size_t. Если в main вызвать f(asdf), то получим вполне осмысленную ошибку компиляции.

main.cpp: In function 'int main()':

main.cpp:18:9: error: use of function 'void f(T) [with T = asdf]' with unsatisfied constraints

   18 | f(asdf{}); <i>// Ошибка: asdf не удовлетворяет условиям Sorter</i>

      |         ^

main.cpp:13:6: note: declared here

   13 | void f(T) {}

      |      ^

main.cpp:13:6: note: constraints not satisfied

main.cpp: In instantiation of 'void f(T) [with T = asdf]':

main.cpp:18:9:   required from here

main.cpp:6:9:   required for the satisfaction of 'Sorter<T>' [with T = asdf]

main.cpp:6:18:   in requirements with 'T a' [with _Tp = asdf; T = asdf]

main.cpp:7:21: note: the required expression 'std::hash<_Tp>{}(a)' is invalid

    7 |     { std::hash<T>{}(a) } -> std::convertible_to<std::size_t>

      |       ~~~~~~~~~~~~~~^~~

cc1plus: note: set '-fconcepts-diagnostics-depth=' to at least 2 for more detail

Еще компилятор преобразует концепцию, как и requires-expression в значение типа bool и затем они могут использоваться как простое значение, например, в if constexpr.

template<typename T>

concept Meshable = requires(T a, T b)

{

    a + b;

};

template<typename T>

void f(T x)

{

    if constexpr(Meshable<T>){ <i>/*...*/</i> }

    else if constexpr(requires(T a, T b) { a + b; }){ <i>/*...*/</i> }

}

Requires-expression

Новое ключевое слово в C++20 существует в двух значениях: requires clause и requires-expression. Несмотря на значительную полезную нагрузку, эта двойственность requires приводит к путанице.

В requires-expression используется тип bool, код в фигурных скобках вычисляется при компиляции. Если выражение корректно requires-expression возвращает true, иначе — false. Первая странность заключается в том, что код в фигурных скобках должен быть написан на специально придуманном языке, не на C++.

template<typename T>

constexpr bool Movable = requires(T i) { i>>1; };

bool b1 = Movable<int>; <i>// true</i>

bool b2 = Movable<double>; <i>// false</i>

Главный сценарий использования <i>requires-expression</i> состоит в создании концепций, просто проверить наличие нужных полей и методов внутри типа.

template <typename T>

concept Vehicle =

  requires(T v) {  <i>// любая переменная m из концепции Vehicle</i>

    v.start();     <i>// обязательно должна обладать `v.start()`</i>

    v.stop();      <i>// и `v.stop()`</i>

  };

Однако, у requires-expression есть и другие применения. Часто необходимо проверить, обеспечивает ли данный набор параметров шаблона требуемый интерфейс: свободные функции, функции-члены, связанные типы и т. д.

template <typename T>

void smart_swap(T& a, T& b)

{

  constexpr bool have_element_swap = requires(T a, T b){

    a.swap(b);

  };

  if constexpr (have_element_swap) {

    a.swap(b);

  }

  else {

    using std::swap;

    swap(a, b);

  }

}

Requires clause

Чтобы действительно что-то ограничить, нам нужен requires clause. Его можно применять к любой шаблонной декларации, или не-шаблонной функции, чтобы выявить является ли та видимой в определенном контексте. Основная польза от requires clause в том, его использование позволяет забыть о SFINAE и прочих странных обходных решениях шаблонов C++.

template<typename T>

void f(T&&) requires Eq<T>;

template<typename T> requires Dividable<T>

T divide(T a, T b) { return a/b; }

В декларации requires clause возможно использование нескольких предикатов, объединенных логическими операторами && или ||.

template <typename T>

  requires is_standard_layout_v<T> && is_trivial_v<T>

void fun(T v);

int main()

{

  std::string s;

  fun(1);  <i>// верно</i>

  fun(s);  <i>// ошибка компиляции</i>

}

Из-за двойственной сути ключевого слова requires могут возникать ситуации с эталонным неудобочитаемым кодом.

template<typename T>

requires Sumable<T>

auto f1(T a, T b) requires Subtractable<T>; <i>// Sumable<T> && Subtractable<T></i>

auto l = []<typename T> requires Sumable<T>

    (T a, T b) requires Subtractable<T>{};

template<typename T>

requires Sumable<T>

class C;

template<typename T>

requires requires(T a, T b) {a + b;}

auto f4(T x);

То самое requires requires, первое знамением clause, второе же — expression.

Модули

В C++ проглядывается долгосрочная тенденция, которая выражена в постепенном исключении препроцессора. Считается, что это избавит от целого ряда трудностей:

• заголовки, зависящие от порядка включения;
• утечка макросов из заголовочных файлов;
• повторная компиляция одного и того же кода;
• циклические зависимости;
• плохая инкапсуляция деталей реализации.

Так например source_location заменяет один из наиболее часто используемых макросов, а consteval — макрофункции. Новый способ разделения исходного кода использует модули и призван полностью заменить все директивы #include.

Вот как выглядит модульный Hello World!..

<i>//module.cpp</i>

export module speech;

export const char* get_phrase() {

    return «Hello, world!»;

}

<i>//main.cpp</i>

import speech;

import <iostream>;

int main() {

    std::cout << get_phrase() << '\n';

}

Сопрограммы

Сопрограммой называется функция, которая может остановить выполнение, чтобы быть возобновлённой позже. Такая функция не имеет стека, она приостанавливает выполнение, возвращаясь к вызывающей инструкции. C++ 20 предоставляет практически самый низкоуровневый API, оставляя все прочее на усмотрение пользователя.

Функция является сопрограммой, если в её определении используется одно из следующих действий.

• оператор co_await для приостановки выполнения до возобновления;

task<> tcp_echo_server() {

  char data[1024];

  for (;;) {

    size_t n = co_await socket.async_read_some(buffer(data));

    co_await async_write(socket, buffer(data, n));

  }

}

• ключевое слова co_yield для приостановки выполнения, возвращающего значение;

generator<int> iota(int n = 0) {

  while(true)

    co_yield n++;

}

• ключевое слова co_return для завершения выполнения, возвращающего значение.

lazy<int> f() {

  co_return 7;

}

Сопрограммы не могут использовать простые операторы return, типы auto, или Concept и переменные аргументы.

Оператор KK

В C++ 20 появился оператор трехстороннего сравнения <=> и сразу получил прозвище spaceship operator, что означает оператор космический корабль. Данный оператор для двух переменных a и b определяет одно из трех: a > b, a=b или a < b. Оператор <=> можно задать самостоятельно, или компилятор автоматически создаст его для вас.

Проще всего понять на примере для чего именно нужен новый оператор трехстороннего сравнения.

#include <set>

struct Data

{

 int i;

 int j;

 bool operator<(const Data& rhs) const {

  return i < rhs.i || (i == rhs.i && j < rhs.j);

 }

};

int main()

{

 std::set<Data> d;

 d.insert(Data{ 1,2 });

}

Возникает такое впечатление, что многовато кода bool operator<… для простого оператора ради того, чтобы не возникло ошибок компиляции. Ну, а если нужны и другие операторы: >, ==, ≤, ≥ неудобно каждый раз выводить весь этот блок. Теперь же благодаря оператору <=> то же самое мы получаем более простым способом.

Обратите внимание, что нам понадобился дополнительный заголовочный файл, поэтому #include . На самом деле мы получили больше, чем запрашивали, так как теперь мы можем использовать разом все операторы сравнения, а не только <.

#include <set>

#include <compare>

struct Data

{

 int i;

 int j;

 

 auto operator<=>(const Data& rhs) const = default;

};

int main()

{

 Data d1{ 1, 4 };

 Data d2{ 3, 2 };

 d1 == d2;

 d1 < d2;

 d1 <= d2;

 std::set<Data> d;

 d.insert(Data{ 1,2 });

}

Оригинал