Самые полезные новинки C++ 20

В сентябре прошлого года профильный комитет ISO утвердил С++ 20 в качестве текущей версии международного стандарта. Предлагаю ознакомиться с самыми полезными и долгожданными изменениями нового стандарта.

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 });  }

Наши серверы можно использовать для тестирования и продакшена на плюсах.

Зарегистрируйтесь по ссылке выше или кликнув на баннер и получите 10% скидку на первый месяц аренды сервера любой конфигурации!

ссылка на оригинал статьи https://habr.com/ru/company/macloud/blog/553456/