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C++20 的概念与约束 |
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大家好，今天我们来聊聊 C++20 中引入的一个非常强大的特性：概念（Concepts） 和 约束（Constraints）。对于 C++ 初学者来说，这个特性可能会有些陌生，但它却是提升代码可读性、减少错误的重要工具。本文将从基础概念入手，结合代码示例，逐步深入，帮助大家理解这一特性。
在 C++20 之前，模板编程虽然强大，但也带来了一些问题。比如，当我们编写一个模板函数时，编译器只有在实例化模板时才会检查类型是否符合要求。如果类型不符合，编译器会抛出一大堆晦涩难懂的错误信息，调试起来非常困难。
概念（Concepts） 就是为了解决这个问题而引入的。它允许我们在编写模板时，明确地定义类型必须满足的条件，从而在编译时就能检查类型是否符合要求。
概念的定义非常简单，使用 concept 关键字即可。下面是一个简单的例子：
#include <concepts>
// 定义一个概念，要求类型 T 必须是整数类型
template<typename T>
concept Integer = std::is_integral_v<T>;
// 使用概念来约束模板函数
template<Integer T>
void print_integer(T value) {
std::cout << "Integer value: " << value << std::endl;
}
int main() {
print_integer(42); // 正确：int 是整数类型
// print_integer(3.14); // 错误：double 不是整数类型
return 0;
}-
概念定义：
concept Integer = std::is_integral_v<T>;定义了一个名为Integer的概念，要求类型T必须是整数类型。std::is_integral_v<T>是 C++ 标准库中的一个类型特性，用于判断T是否是整数类型。 -
模板函数约束：
template<Integer T>表示模板参数T必须满足Integer概念的约束。如果传入的类型不满足这个约束，编译器会在编译时报错，而不是等到实例化时才报错。 -
使用示例：在
main函数中，我们调用了print_integer(42)，因为int是整数类型，所以编译通过。而print_integer(3.14)会导致编译错误，因为double不是整数类型。
使用概念的好处在于：
- 编译时检查：在编译时就能发现类型不符合要求的问题，而不是等到运行时。
- 提高代码可读性：通过概念，我们可以清晰地表达模板参数的约束条件，使得代码更易于理解和维护。
- 减少错误：通过编译时的约束检查，可以避免一些潜在的错误。
有时候，我们需要多个约束条件来限制模板参数。C++20 允许我们通过逻辑运算符来组合多个概念。
#include <concepts>
// 定义一个概念，要求类型 T 必须是浮点数类型
template<typename T>
concept FloatingPoint = std::is_floating_point_v<T>;
// 定义一个概念，要求类型 T 必须是可比较的
template<typename T>
concept Comparable = requires(T a, T b) {
{ a < b } -> std::same_as<bool>;
{ a > b } -> std::same_as<bool>;
};
// 组合概念：要求类型 T 必须是浮点数且可比较
template<typename T>
concept FloatingPointComparable = FloatingPoint<T> && Comparable<T>;
// 使用组合概念来约束模板函数
template<FloatingPointComparable T>
void compare_floating_point(T a, T b) {
if (a < b) {
std::cout << a << " is less than " << b << std::endl;
} else if (a > b) {
std::cout << a << " is greater than " << b << std::endl;
} else {
std::cout << a << " is equal to " << b << std::endl;
}
}
int main() {
compare_floating_point(3.14, 2.71); // 正确：double 是浮点数且可比较
// compare_floating_point(3, 2); // 错误：int 不是浮点数
return 0;
}-
组合概念：
FloatingPointComparable是一个组合概念，它要求类型T必须同时满足FloatingPoint和Comparable两个概念。 -
requires表达式：Comparable概念使用了requires表达式来定义约束。requires(T a, T b)表示我们需要对类型T进行一些操作，比如a < b和a > b，并且这些操作的结果必须是bool类型。 -
模板函数约束：
template<FloatingPointComparable T>表示模板参数T必须满足FloatingPointComparable的约束。如果传入的类型不满足这个约束，编译器会在编译时报错。
组合概念允许我们定义更复杂的约束条件，从而更精确地控制模板参数的类型。通过组合多个概念，我们可以确保模板参数不仅满足某一类条件，还满足其他相关条件，从而提高代码的健壮性。
有时候，我们不仅需要约束模板参数的类型，还需要约束模板参数的成员函数。C++20 的 requires 表达式可以很好地解决这个问题。
#include <concepts>
#include <iostream>
// 定义一个概念，要求类型 T 必须有一个名为 `size` 的成员函数，且返回类型为 `size_t`
template<typename T>
concept Sized = requires(T t) {
{ t.size() } -> std::same_as<size_t>;
};
// 使用概念来约束模板函数
template<Sized T>
void print_size(T container) {
std::cout << "Size of container: " << container.size() << std::endl;
}
// 定义一个简单的容器类
class MyContainer {
public:
size_t size() const { return 10; }
};
int main() {
MyContainer container;
print_size(container); // 正确：MyContainer 有 size 成员函数
return 0;
}-
requires表达式：Sized概念使用了requires表达式来定义约束。{ t.size() } -> std::same_as<size_t>;表示类型T必须有一个名为size的成员函数，且该函数的返回类型必须是size_t。 -
模板函数约束：
template<Sized T>表示模板参数T必须满足Sized的约束。如果传入的类型不满足这个约束，编译器会在编译时报错。 -
自定义容器类：
MyContainer类定义了一个size成员函数，因此它可以作为print_size函数的参数。
约束成员函数可以确保模板参数不仅是一个类型，还具有某些特定的行为。这对于编写通用算法或容器操作函数非常有用，因为它可以确保模板参数具有必要的接口，从而避免运行时错误。
通过本文的讲解，我们了解了 C++20 中的 概念（Concepts） 和 约束（Constraints） 的基本用法和进阶技巧。概念和约束是 C++20 中非常重要的特性，它们可以帮助我们：
- 在编译时检查类型是否符合要求，避免运行时错误。
- 提高代码的可读性和可维护性，通过明确的约束条件，使得代码更易于理解。
- 减少调试时间，通过编译时的约束检查，提前发现潜在问题。
文章合集：chongzicbo/ReadWriteThink: 博学而笃志，切问而近思 (github.com)
个人博客：程博仕
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