C++ Contract Programming：C++20 契约编程与断言

好的，各位观众，欢迎来到今天的C++契约编程讲座现场！今天咱们要聊聊C++20里一个挺有意思，但可能被大家忽略的小伙伴——契约编程。

一、契约编程：你情我愿的君子协议

先问大家一个问题，写代码的时候，你有没有遇到过这样的场景：

一个函数要求参数必须是正数，你没加判断，结果传进去个负数，程序崩了！
一个容器要求非空，结果你传进去一个空的，程序行为异常了！

这些问题，本质上都是因为调用者和被调用者之间，对于函数或者类的行为，没有明确的约定。调用者不知道被调用者有什么要求，被调用者也不知道调用者会传什么烂摊子过来。

契约编程，就是要解决这个问题。它就像一份君子协议，明确规定了函数或类的前置条件（precondition）、后置条件（postcondition） 和 不变量（invariant）。

前置条件： 调用者必须满足的条件，才能安全地调用函数。相当于告诉调用者：“喂，哥们，想用我的函数，得先满足这些条件，不然我不伺候！”
后置条件： 函数执行完毕后，必须保证的条件。相当于告诉被调用者：“哥们，你执行完，必须保证这些条件成立，不然我就认为你没好好干活！”
不变量： 对象在任何时候都必须满足的条件。相当于告诉对象：“你小子，无论发生什么，都得保持这个状态，否则我就把你回炉重造！”

通过这些约定，我们可以尽早发现错误，提高代码的可靠性，让代码更易于理解和维护。

二、C++20 的契约编程：半路出家的孩子

C++20 引入了契约编程的支持，但是，注意这个“但是”，C++20的契约编程，是个半成品。原本C++20标准是计划支持编译时和运行时检查两种模式的，但最终只保留了运行时检查，并且还是可选的。这意味着，你可以选择启用或者禁用契约检查，这多少有点尴尬。

虽然如此，我们还是可以利用C++20的契约编程特性，来增强代码的健壮性。毕竟，有总比没有好嘛！

三、C++20 契约编程的语法：三个关键词

C++20 契约编程主要使用了三个关键词：

[[expects: expression]]：声明前置条件。
[[ensures: expression]]：声明后置条件。
[[assert: expression]]：声明断言，可以用于不变量的检查，也可以用在函数内部。

3.1 前置条件 [[expects: expression]]

[[expects: expression]] 用于声明函数或方法的前置条件。如果前置条件不满足，程序会抛出一个异常（实际上行为是implementation-defined，通常会调用std::terminate()）。

#include <iostream>

int divide(int a, int b) [[expects: b != 0]] {
  return a / b;
}

int main() {
  std::cout << divide(10, 2) << std::endl; // OK
  std::cout << divide(10, 0) << std::endl; // BOOM!
  return 0;
}

在这个例子中，divide 函数声明了一个前置条件 b != 0，表示除数不能为零。如果 b 为 0，程序会立即终止。

3.2 后置条件 [[ensures: expression]]

[[ensures: expression]] 用于声明函数或方法的后置条件。后置条件会在函数执行完毕后进行检查。

#include <iostream>

int increment(int a) [[ensures: a > 0]] {
  return a + 1;
}

int main() {
  std::cout << increment(5) << std::endl; // OK, 返回 6
  std::cout << increment(-1) << std::endl; // Boom, 前置条件没写，但是后置条件不满足，程序终止
  return 0;
}

在这个例子中，increment 函数声明了一个后置条件 a > 0。但是这个例子是有问题的。后置条件检查的是返回值（在C++23之前），而不是函数内的参数a。所以，这个例子实际上并没有起到预期的作用。正确的后置条件写法需要使用return关键字来引用返回值，在C++23中引入了[[ensures(expression)]]，在圆括号中可以引用函数参数。

C++20 后置条件的正确用法(使用 return 引用返回值)：

#include <iostream>

int increment(int a) [[ensures: return > a]] {
  return a + 1;
}

int main() {
  std::cout << increment(5) << std::endl; // OK, 返回 6
  std::cout << increment(-1) << std::endl; // OK，返回 0，满足 return > a
  return 0;
}

在这个例子中，后置条件 return > a 检查的是返回值是否大于输入值。

3.3 断言 [[assert: expression]]

[[assert: expression]] 用于声明断言，可以在函数内部使用，也可以用于声明类的不变量。

#include <iostream>
#include <vector>

class MyVector {
 private:
  std::vector<int> data;

 public:
  MyVector(int size) : data(size) {}

  int get(int index) [[assert: index >= 0 && index < data.size()]] {
    return data[index];
  }

  void set(int index, int value) [[assert: index >= 0 && index < data.size()]] {
    data[index] = value;
  }
};

int main() {
  MyVector v(10);
  v.set(5, 100);
  std::cout << v.get(5) << std::endl; // OK
  v.set(15, 200); // BOOM!
  return 0;
}

在这个例子中，get 和 set 方法都使用了断言来检查索引是否越界。

四、契约编程的优缺点：硬币的两面

优点：

提高代码可靠性： 尽早发现错误，避免程序在运行时崩溃。
增强代码可读性： 明确函数或类的行为，方便理解和维护。
方便调试： 当契约条件不满足时，可以快速定位问题。

缺点：

运行时开销： 契约检查会增加程序的运行时开销（虽然可以禁用）。
语法复杂： 编写契约需要一定的学习成本。
C++20 的契约编程是半成品： 功能不完善，使用起来比较鸡肋。

五、C++20 契约编程的注意事项：避坑指南

编译器支持： 并非所有编译器都完全支持 C++20 契约编程，使用前请确认你的编译器是否支持。
运行时开销： 契约检查会带来运行时开销，在性能敏感的场景下，可以考虑禁用契约检查。
不要过度使用： 并非所有函数都需要契约，只对那些容易出错或者对程序行为有重要影响的函数使用契约。
C++20的后置条件写法： C++20的后置条件只能通过return关键字来引用返回值，不够灵活。C++23将会改进这一点。

六、契约编程的替代方案：条条大路通罗马

如果觉得 C++20 的契约编程不够好用，或者你的编译器不支持，可以考虑以下替代方案：

断言（assert）： C++ 标准库提供的断言机制，可以在运行时检查条件是否满足。
静态断言（static_assert）： 在编译时检查条件是否满足。
自定义异常： 在函数内部检查参数是否合法，如果不合法则抛出异常。
Google Test 等测试框架： 编写单元测试来验证代码的行为是否符合预期。

七、代码案例：一个更完整的例子

下面是一个更完整的例子，展示了如何使用 C++20 契约编程来设计一个简单的栈：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <stdexcept>

template <typename T>
class Stack {
 private:
  std::vector<T> data;
  size_t capacity;

 public:
  Stack(size_t capacity) : data(0), capacity(capacity) [[assert: capacity > 0]] {}

  bool isEmpty() const {
    return data.empty();
  }

  bool isFull() const {
    return data.size() == capacity;
  }

  void push(const T& value) [[expects: !isFull()]] [[ensures: !isEmpty()]] {
    data.push_back(value);
  }

  T pop() [[expects: !isEmpty()]] [[ensures: data.size() <= capacity]] {
    T value = data.back();
    data.pop_back();
    return value;
  }

  T peek() const [[expects: !isEmpty()]] {
    return data.back();
  }

  size_t size() const {
    return data.size();
  }
};

int main() {
  Stack<int> s(5);

  s.push(10);
  s.push(20);
  s.push(30);

  std::cout << "Size: " << s.size() << std::endl;
  std::cout << "Top: " << s.peek() << std::endl;

  s.pop();

  std::cout << "Size: " << s.size() << std::endl;
  std::cout << "Top: " << s.peek() << std::endl;

  return 0;
}

在这个例子中，我们为 Stack 类添加了前置条件、后置条件和不变量，来确保栈的行为符合预期。

八、契约编程与其他编程范式的关系

契约编程并不是一种独立的编程范式，它可以和其他编程范式结合使用，例如：

面向对象编程： 可以为类和方法添加契约，来约束对象的状态和行为。
函数式编程： 可以为函数添加契约，来约束函数的输入和输出。
防御式编程： 契约编程可以看作是防御式编程的一种形式，通过明确的约定来避免错误。

九、总结：鸡肋但有潜力的小伙伴

总的来说，C++20 的契约编程目前还不够完善，使用起来可能会比较鸡肋。但是，它代表了一种趋势，未来的 C++ 标准可能会对契约编程进行改进，使其更加实用。

即使现在 C++20 契约编程不够完美，学习和了解契约编程的思想也是有益的。它可以帮助我们更好地理解代码，提高代码的可靠性，让代码更易于维护。

今天的讲座就到这里，谢谢大家！希望大家能够喜欢这个半路出家的孩子，并期待它未来的成长！

补充：一些常见问题的解答

Q: 契约编程会影响性能吗？
- A: 会的。契约检查需要在运行时执行，这会增加程序的开销。但是，你可以选择禁用契约检查，从而避免性能损失。
Q: 所有的函数都需要契约吗？
- A: 不是的。只有那些容易出错或者对程序行为有重要影响的函数才需要契约。
Q: 如何选择合适的契约条件？
- A: 契约条件应该能够准确地描述函数或类的行为。不要写过于宽松的条件，也不要写过于严格的条件。
Q: C++23 对契约编程有什么改进？
- A: C++23将会允许在后置条件中使用参数名，例如 [[ensures(result > a)]]，这使得后置条件更加灵活和易于使用。

表格总结：

特性	描述
前置条件	`[[expects: expression]]`，调用函数前必须满足的条件。
后置条件	`[[ensures: expression]]`，函数执行完毕后必须保证的条件（C++20 只能通过 `return` 关键字引用返回值）。
断言	`[[assert: expression]]`，用于声明断言，可以在函数内部使用，也可以用于声明类的不变量。
优点	提高代码可靠性，增强代码可读性，方便调试。
缺点	运行时开销，语法复杂，C++20 的契约编程是半成品。
替代方案	断言（`assert`），静态断言（`static_assert`），自定义异常，测试框架。
注意事项	编译器支持，运行时开销，不要过度使用，注意 C++20 的后置条件写法。
C++23改进	允许在后置条件中使用参数名，例如 `[[ensures(result > a)]]`。

希望这些补充解答能够帮助你更好地理解 C++20 的契约编程！

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