C++20 Concepts：提升代码质量的利器，你真的会用吗？

C++20 Concepts：提升代码质量的利器，你真的会用吗？

大家好，我是你们的老朋友，今天咱们来聊聊 C++20 中一个非常重要的特性：Concepts。如果你还在用 C++11/14/17，那真该好好了解一下 Concepts 了，它能帮你写出更安全、更易读、更易维护的代码。

为什么要用 Concepts？

在没有 Concepts 之前，我们使用模板时，编译器只能在模板实例化的时候才能发现类型错误。这意味着，如果你使用了一个不满足模板要求的类型，编译器会在模板内部报错，错误信息非常冗长且难以理解，让人摸不着头脑。

例如，考虑以下代码：

template <typename T>
T add(T a, T b) {
 return a + b;
}
 
int main() {
 std::string str1 = "hello";
 std::string str2 = "world";
 std::cout << add(str1, str2) << std::endl; // 编译错误
 return 0;
}

这段代码在编译时会报错，错误信息会指向 add 函数内部的 + 运算符，告诉你 std::string 没有定义 + 运算符。但是，这个错误信息并没有直接告诉你 add 函数的参数需要支持 + 运算符，你需要自己去分析错误信息才能找到问题的根源。

Concepts 的出现就是为了解决这个问题。它可以让你在模板定义的时候就指定模板参数需要满足的条件，如果类型不满足条件，编译器会直接报错，错误信息会更加清晰明了。

什么是 Concepts？

Concepts 是一种用于指定模板参数约束的语言特性。你可以把 Concept 理解为一个编译期的谓词，它接受一个或多个类型作为参数，返回一个布尔值。如果类型满足 Concept 的约束，则返回 true，否则返回 false。

C++20 提供了很多预定义的 Concepts，例如：

• std::integral：表示整数类型
• std::floating_point：表示浮点数类型
• std::arithmetic：表示算术类型（整数或浮点数）
• std::copy_constructible：表示可拷贝构造的类型
• std::move_constructible：表示可移动构造的类型
• std::default_constructible：表示可默认构造的类型
• std::equality_comparable：表示可使用 == 和 != 比较的类型
• std::totally_ordered：表示可使用 <、>、<= 和 >= 比较的类型

你也可以自定义 Concepts，以满足自己的需求。

如何使用 Concepts？

使用 Concepts 有多种方式，下面我们分别介绍一下。

1. 使用 requires 子句

requires 子句可以用于在模板定义中指定模板参数的约束。

例如，我们可以使用 requires 子句来约束 add 函数的参数必须是算术类型：

template <typename T>
 requires std::arithmetic<T>
T add(T a, T b) {
 return a + b;
}
 
int main() {
 std::cout << add(1, 2) << std::endl; // OK
 //std::cout << add("hello", "world") << std::endl; // 编译错误
 return 0;
}

如果我们将 add 函数的参数类型改为 std::string，编译器会报错，错误信息会直接告诉你 std::string 不满足 std::arithmetic 的约束，非常清晰明了。

2. 使用 Concept 作为类型约束

你可以直接使用 Concept 作为类型约束，来简化代码。

例如，我们可以使用 std::arithmetic 作为类型约束来定义 add 函数：

std::arithmetic auto add(std::arithmetic auto a, std::arithmetic auto b) {
 return a + b;
}
 
int main() {
 std::cout << add(1, 2) << std::endl; // OK
 //std::cout << add("hello", "world") << std::endl; // 编译错误
 return 0;
}

这种方式更加简洁，易于阅读。

3. 使用 where 子句（仅适用于类模板）

where 子句可以用于在类模板定义中指定模板参数的约束。

例如，我们可以使用 where 子句来约束一个容器模板的元素类型必须是可拷贝构造的：

template <typename T>
 class MyContainer where std::copy_constructible<T> {
 public:
 MyContainer(T value) : data(value) {}
 private:
 T data;
 };
 
int main() {
 MyContainer<int> container(10); // OK
 //MyContainer<std::unique_ptr<int>> container2(std::make_unique<int>(10)); // 编译错误
 return 0;
}

自定义 Concepts

除了使用 C++20 提供的预定义 Concepts，你还可以自定义 Concepts，以满足自己的需求。

自定义 Concept 需要使用 concept 关键字。

例如，我们可以定义一个 Addable Concept，用于约束类型必须支持 + 运算符：

template <typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {
 { a + b } -> std::convertible_to<T>;
};
 
template <typename T>
 requires Addable<T>
T add(T a, T b) {
 return a + b;
}
 
int main() {
 std::cout << add(1, 2) << std::endl; // OK
 std::cout << add(1.0, 2.0) << std::endl; // OK
 std::string str1 = "hello";
 std::string str2 = "world";
 std::cout << add(str1, str2) << std::endl; // OK
 return 0;
}

在这个例子中，Addable Concept 使用 requires 表达式来检查类型 T 是否支持 + 运算符，并且 a + b 的结果可以转换为 T 类型。

requires 表达式可以包含多个语句，每个语句都必须满足才能使 Concept 返回 true。

Concepts 的优势

• 提高代码的类型安全性：Concepts 可以在编译期检查类型是否满足模板的要求，避免在运行时出现类型错误。
• 改善编译错误信息：Concepts 可以生成更清晰、更易于理解的编译错误信息，帮助开发者更快地找到问题的根源。
• 提高代码的可读性：Concepts 可以明确地指定模板参数的约束，使代码更易于阅读和理解。
• 提高代码的可维护性：Concepts 可以减少模板代码中的冗余代码，使代码更易于维护。

Concepts 的一些技巧和注意事项

• 尽量使用预定义的 Concepts：C++20 提供了很多预定义的 Concepts，尽量使用它们，避免重复造轮子。
• 自定义 Concepts 时，尽量使用 requires 表达式：requires 表达式可以让你更灵活地指定类型约束。
• 避免过度约束：不要过度约束模板参数，否则会限制模板的适用范围。
• 使用 Concepts 可以提高编译时间：Concepts 会增加编译器的负担，可能会导致编译时间增加。但是，与它带来的好处相比，这一点是可以接受的。

总结

Concepts 是 C++20 中一个非常强大的特性，它可以帮助你写出更安全、更易读、更易维护的代码。如果你还没有使用 Concepts，那真该好好了解一下了。希望这篇文章能帮助你更好地理解和使用 Concepts。

总而言之，Concepts 就像是给模板参数加上了一层严格的“门卫”，只有符合条件的类型才能进入，这大大提高了代码的健壮性和可维护性。

最后，希望大家能够在自己的项目中积极使用 Concepts，提升代码质量，享受编程的乐趣！