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一文读懂C++20新特性之概念、约束（concept, constraint）

news 来源：原创 2024/9/20 12:00:46

约束与概念是C++20中最新引入的核心语言特性。约束(constraint)可以关联到类模板、函数模板、类模板成员函数，指定了对模板实参的一些要求，这些要求可以被用于选择最恰当的函数重载和模板特化。概念(concept) 是这些要求（即约束）的集合。

概念(concept)

语法：

template < 模板形参列表 >
concept 概念名 = 约束表达式;

例子：

template<class T, class U>
concept isChildOf = std::is_base_of<U, T>::value;//类型约束, T必须继承自U


/***
    使用概念
    注意：概念在类型约束中接受的实参要比它的形参列表要求的要少一个，
    因为按语境推导出的类型会隐式地作第一个实参
***/
template<isChildOf<Base> T>
void f(T); // T 被 isChildOf<T, Base> 约束

组成概念的约束表达式也可以用requires字句定义：

//以下代码摘自cppreference: https://en.cppreference.com/w/cpp/language/constraints

#include <concepts>
 
// 概念 "Hashable" 的声明可以被符合以下条件的任意类型 T 满足：
// 对于 T 类型的值 a，表达式 std::hash<T>{}(a) 可以编译并且它的结果可以转换到 std::size_t
template<typename T>
concept Hashable = requires(T a)
{
    { std::hash<T>{}(a) } -> std::convertible_to<std::size_t>;
};
 
//在函数模板中使用概念 
template<Hashable T>
void f(T); // 受约束的 C++20 函数模板

也可以按如下格式使用概念：

template<typename T> requires Hashable<T> //requires子句放在template<>之后
void f(T) 
{
    //...
}

template<typename T>
void f(T) requires Hashable<T>  //requires子句放在函数参数列表之后
{
    //...
}

注意：

概念本身不能被约束，概念不能被递归定义。

//以下代码摘自cppreference: https://en.cppreference.com/w/cpp/language/constraints
template<typename T>
concept V = V<T*>; // 错误：递归的概念
 
template<class T>
concept C1 = true;
template<C1 T>
concept Error1 = true; // 错误：C1 T 试图约束概念定义
template<class T> requires C1<T>
concept Error2 = true; // 错误：requires 子句试图约束概念

requires关键字

1. requires关键字可以用来引入require子句

在这种情况下，requires后面必须跟随一个常量表达式，或者满足如下形式的requires表达式：

初等表达式，例如 Swappable<T>、std::is_integral<T>::value、(std::is_object_v<Args> && ...) 或任何带括号的表达式
以运算符 && 联结的初等表达式的序列
以运算符 || 联结的前述表达式的序列

template<class T>
constexpr bool is_meowable = true;
 
template<class T>
constexpr bool is_purrable() { return true; }
 
template<class T>
void f(T) requires is_meowable<T>; // OK
 
template<class T>
void g(T) requires is_purrable<T>(); // 错误：is_purrable<T>() 不是初等表达式
 
template<class T>
void h(T) requires (is_purrable<T>()); // OK

2. requires关键字也用来开始一个 requires 表达式

此时，requires表达式是bool类型的纯右值表达式，描述对一些模板实参的约束。这种表达式在约束得到满足时是true，否则是false，比如下面的代码:

template<typename T>
concept Addable = requires (T x) { x + x; }; // requires 表达式
 
template<typename T> requires Addable<T> // requires 子句，不是 requires 表达式
T add(T a, T b) { return a + b; }
 
template<typename T>
    requires requires (T x) { x + x; } // 随即的约束，注意关键字被使用两次
T add(T a, T b) { return a + b; }

require表达式具有如下语法：

requires { 要求序列 }		
requires ( 形参列表(可选) ) { 要求序列 }

其中，要求序列根据复杂程度可以分为以下四种：

简单要求（simple requirement）
类型要求（type requirement）
复合要求（compound requirement）
嵌套要求（nested requirement）

// 简单要求
template<typename T>
concept Addable = requires (T a, T b)
{
    a + b; // “表达式 a + b 是可编译的合法表达式”
};

// 类型要求
template<typename T>
using Ref = T&;
 
template<typename T>
concept C = requires
{
    typename T::inner; // 要求的嵌套成员名
    typename S<T>;     // 要求的类模板特化
    typename Ref<T>;   // 要求的别名模板替换
};

// 嵌套要求
template <class T>
concept Semiregular = DefaultConstructible<T> &&
    CopyConstructible<T> && Destructible<T> && CopyAssignable<T> &&
requires(T a, size_t n)
{  
    requires Same<T*, decltype(&a)>; // 嵌套：“Same<...> 求值为 true”
    { a.~T() } noexcept; // 复合："a.~T()" 是不抛出的合法表达式
    requires Same<T*, decltype(new T)>; // 嵌套：“Same<...> 求值为 true”
    requires Same<T*, decltype(new T[n])>; // 嵌套
    { delete new T }; // 复合
    { delete new T[n] }; // 复合
};

复合要求有自己的语法，因此我们将它单列出来，其语法形式为：

{ 表达式 } noexcept(可选) 返回类型要求(可选) ;		
返回类型要求	-> 类型约束

例子：

// 复合要求
template<typename T>
concept C2 = requires(T x)
{
    // 表达式 *x 必须合法
    // 并且类型 T::inner 必须合法
    // 并且 *x 的结果必须可以转换为 T::inner
    {*x} -> std::convertible_to<typename T::inner>;
 
    // 表达式 x + 1 必须合法
    // 并且 std::Same<decltype((x + 1)), int> 必须被满足
    // 也就是说，(x + 1) 必须是 int 类型的纯右值
    {x + 1} -> std::same_as<int>;
 
    // 表达式 x * 1 必须合法
    // 并且它的结果必须可以转换到 T
    {x * 1} -> std::convertible_to<T>;
};

约束的影响

当编译器在进行模板函数的重载决议时，会选择更受约束的版本

template<typename T>
concept Decrementable = requires(T t) { --t; };
template<typename T>
concept RevIterator = Decrementable<T> && requires(T t) { *t; };
 
// RevIterator 能归入 Decrementable，但反之不行
 
template<Decrementable T>
void f(T); // #1
 
template<RevIterator T>
void f(T); // #2，比 #1 更受约束
 
f(0);       // int 只满足 Decrementable，选择 #1
f((int*)0); // int* 满足两个约束，选择 #2，因为它更受约束

本文只是列举了“概念”，“约束”等新特性的表面用法，笔者自身水平还不能做更深入讨论，如有遗漏，欢迎广大网友补充，批评指正。

本文参考自：Constraints and concepts (since C++20) - cppreference.com