欢迎来到C++20概念(Concepts)讲座：让模板代码更加清晰和安全
大家好！欢迎来到今天的讲座，主题是C++20中的“概念”（Concepts）。如果你曾经在C++中写过模板代码，那么你一定知道，模板虽然强大，但如果没有约束，它可能会变成一场灾难——编译器报错信息像天书一样难以理解。幸运的是，C++20引入了“概念”，这是一个全新的工具，可以让你的模板代码更加清晰、安全，同时还能减少调试时的痛苦。
今天，我们将以轻松诙谐的方式，深入探讨C++20中的概念，并通过实际的例子来展示如何使用它们。准备好了吗？让我们开始吧！
什么是“概念”？
简单来说，“概念”是一种对模板参数进行约束的方式。它可以让你明确地告诉编译器：“这个模板参数必须满足某些条件。” 这样一来，如果有人试图传递一个不符合要求的类型，编译器会立即告诉你哪里出了问题，而不是给你一堆让人摸不着头脑的错误信息。
用官方的说法，“概念”是一种类型约束机制，它允许开发者定义一组规则，用于描述模板参数应该具备的特性。
为什么需要“概念”？
在C++20之前，我们通常使用SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）来实现类似的功能。但是，SFINAE的语法复杂且难以阅读，而且它的错误信息往往令人困惑。例如：
template <typename T>
auto add(T a, T b) -> decltype(a + b) {
return a + b;
}上面的代码看起来很简单，但如果传入的类型不支持+操作符，编模器会抛出一堆复杂的错误信息，比如：
error: no match for 'operator+' (operand types are 'MyClass' and 'MyClass')这些错误信息可能隐藏在几百行的模板展开中，让人抓狂。
而使用C++20的概念后，我们可以直接写出这样的代码：
template <std::addable T>
T add(T a, T b) {
return a + b;
}如果传入的类型不支持+操作符，编译器会清楚地告诉你：“T必须是一个可加的类型。”
如何使用“概念”？
1. 内置概念
C++20为我们提供了许多内置的概念，可以直接使用。以下是一些常见的内置概念：
| 概念名称 | 描述 |
|---|---|
std::integral |
表示整数类型（如int, long等） |
std::floating_point |
表示浮点数类型（如float, double） |
std::arithmetic |
表示算术类型（整数或浮点数） |
std::assignable_from |
表示类型是否可以从另一个类型赋值 |
std::default_initializable |
表示类型是否可以通过默认构造函数初始化 |
举个例子，假设我们想编写一个只能接受整数类型的模板函数：
#include <concepts>
template <std::integral T>
T double_value(T value) {
return value * 2;
}
int main() {
double_value(42); // OK
double_value(3.14); // 编译错误：3.14不是整数类型
}在这个例子中，std::integral确保了T必须是一个整数类型。如果传入的类型不符合要求，编译器会给出清晰的错误提示。
2. 自定义概念
除了使用内置概念外，我们还可以定义自己的概念。自定义概念的语法非常直观，只需要使用concept关键字即可。
示例：定义一个“可加类型”的概念
假设我们想定义一个“可加类型”的概念，表示该类型支持+操作符。可以这样写：
#include <concepts>
template <typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {
{ a + b } -> std::same_as<T>; // 确保a + b的结果类型与T相同
};
template <Addable T>
T add(T a, T b) {
return a + b;
}
int main() {
add(1, 2); // OK
add(1.5, 2.5); // OK
add("hello", "world"); // 编译错误："hello"不是可加类型
}在这个例子中，我们定义了一个名为Addable的概念，它检查类型T是否支持+操作符，并且结果类型是否与T相同。
3. 概念组合
有时候，我们需要检查多个条件。C++20允许我们通过逻辑运算符（如&&, ||, !）组合多个概念。
示例：定义一个“可乘且可加”的概念
template <typename T>
concept Multipliable = requires(T a, T b) {
{ a * b } -> std::same_as<T>;
};
template <typename T>
concept AddableAndMultipliable = Addable<T> && Multipliable<T>;
template <AddableAndMultipliable T>
T multiply_and_add(T a, T b, T c) {
return (a + b) * c;
}
int main() {
multiply_and_add(1, 2, 3); // OK
multiply_and_add(1.5, 2.5, 3.5); // OK
multiply_and_add("hello", "world", "!!!"); // 编译错误
}在这个例子中，我们定义了一个新的概念AddableAndMultipliable，它要求类型既支持+操作符，也支持*操作符。
4. 概念的应用场景
场景1：改进STL算法的可读性
C++标准库中的许多算法现在都使用了概念。例如，std::sort现在有一个更清晰的签名：
template <std::random_access_iterator Iter, std::weakly_orderable T>
void sort(Iter first, Iter last);这表明Iter必须是一个随机访问迭代器，而T必须是可以比较大小的类型。
场景2：简化模板特化
以前，我们可能需要通过偏特化来实现不同的模板行为。而现在，我们可以使用概念来简化代码：
template <std::integral T>
void print_type() {
std::cout << "Integral typen";
}
template <std::floating_point T>
void print_type() {
std::cout << "Floating-point typen";
}
int main() {
print_type<int>(); // 输出：Integral type
print_type<double>(); // 输出：Floating-point type
}总结
C++20的概念为模板编程带来了革命性的变化。它不仅让代码更加清晰易读，还显著减少了编译错误带来的痛苦。通过内置概念、自定义概念以及概念组合，我们可以轻松地为模板参数添加约束，从而编写更加健壮和安全的代码。
希望今天的讲座对你有所帮助！如果你有任何问题，欢迎随时提问。下次见啦！
