C++ Concepts：约束模板参数，提升代码可读性与错误提示

C++ Concepts：给模板参数立规矩，让编译器更懂你

模板，C++里的一大神器，让我们可以写出适用于多种数据类型的通用代码。想象一下，你写了一个排序函数，不用为 int, float, string 各写一遍，简直爽歪歪！

但是，模板就像一把双刃剑。用得好，效率高，代码简洁；用不好，编译错误信息能让你怀疑人生。

你有没有遇到过这样的情况：

template <typename T>
T add(T a, T b) {
  return a + b;
}

int main() {
  std::cout << add(5, 3) << std::endl; // OK
  std::cout << add(std::string("hello"), std::string(" world")) << std::endl; // OK
  // std::cout << add(std::vector<int>{1, 2}, std::vector<int>{3, 4}) << std::endl; // 编译错误！
  return 0;
}

这段代码在 int 和 string 类型下运行良好，但是当你尝试用 std::vector<int> 类型时，编译器就开始抱怨了，抛出了一大堆错误信息，看得你头昏脑胀。

问题出在哪里？std::vector<int> 没有定义 + 运算符，所以编译器没法执行 a + b。

这时候，你可能会想：如果我能告诉编译器，add 函数只接受支持 + 运算符的类型，那该多好！这样，在编译阶段就能发现错误，而不是等到运行时才崩溃，而且错误信息也会更清晰，更容易理解。

这就是 C++ Concepts 要解决的问题。

Concepts：给模板参数立规矩

Concepts 就像是给模板参数制定的一套规则，告诉编译器，什么样的类型才能作为模板参数传递进来。如果传递的类型不符合规则，编译器就会给出清晰的错误提示，告诉你哪里出了问题。

简单来说，Concepts 就像是类型界的“门卫”，只允许符合条件的类型通过。

Concepts 的语法

C++20 引入了 Concepts 的原生支持。使用 Concepts 的语法如下：

template <typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {
  a + b;
};

template <Addable T>
T add(T a, T b) {
  return a + b;
}

让我们来分解一下这段代码：

template <typename T>：这部分我们都很熟悉，声明一个模板参数 T。
concept Addable = requires(T a, T b) { a + b; };：这部分定义了一个名为 Addable 的 Concept。它表示类型 T 必须满足以下要求：
- requires(T a, T b)：声明 requires 子句，表示后面的表达式必须是有效的。
- a + b;：表示类型 T 的两个对象 a 和 b 必须支持 + 运算符。
template <Addable T>：这部分声明了一个使用 Addable Concept 的模板函数。它表示函数 add 只接受满足 Addable Concept 的类型 T 作为参数。

现在，当我们尝试使用 std::vector<int> 调用 add 函数时，编译器会给出更清晰的错误提示：

error: template constraint failure for 'template<Addable T> T add(T, T)'
note:   because 'std::vector<int>' does not satisfy 'Addable'
note:   with 'T = std::vector<int>'
note: within 'requires' expression: a + b
note: a = std::vector<int>{}, b = std::vector<int>{}

看到了吗？编译器明确地告诉我们，std::vector<int> 不满足 Addable Concept，因为它不支持 + 运算符。

比起之前的一大堆错误信息，这个错误提示是不是更友好，更容易理解？

Concepts 的好处

使用 Concepts 有很多好处：

提高代码可读性： Concepts 明确地表达了模板参数的要求，让代码更易于理解。就像写了一份详细的“使用说明书”，别人一看就知道这个模板函数需要什么类型的参数。
改善错误提示： Concepts 可以生成更清晰、更易于理解的错误提示，帮助开发者更快地定位问题。就像在代码里埋了“地雷”，一旦有人踩到，就会立刻发出警报，告诉你哪里有问题。
提高编译速度： Concepts 可以帮助编译器更早地发现错误，减少编译时间。就像在代码里设置了“防火墙”，提前阻止不符合要求的类型进入。
支持更好的代码生成： Concepts 可以帮助编译器进行更有效的代码优化。就像给编译器提供了更多的“信息”，让它更好地理解你的代码，从而生成更高效的机器码。

更多 Concepts 的用法

除了上面这个简单的 Addable Concept，我们还可以定义更复杂的 Concepts，来满足不同的需求。

例如，我们可以定义一个 Comparable Concept，表示类型 T 必须支持比较运算符（<, >, ==, !=, <=, >=）：

template <typename T>
concept Comparable = requires(T a, T b) {
  { a < b } -> std::convertible_to<bool>;
  { a > b } -> std::convertible_to<bool>;
  { a == b } -> std::convertible_to<bool>;
  { a != b } -> std::convertible_to<bool>;
  { a <= b } -> std::convertible_to<bool>;
  { a >= b } -> std::convertible_to<bool>;
};

template <Comparable T>
T max(T a, T b) {
  return a > b ? a : b;
}

这个 Concept 比 Addable 更复杂一些，它使用了 std::convertible_to 来检查表达式的结果是否可以转换为 bool 类型。

我们还可以使用 Concepts 来约束类模板的成员函数：

template <typename T>
concept Incrementable = requires(T a) {
  a++;
  ++a;
};

template <typename T>
class MyClass {
public:
  template <Incrementable U>
  void increment(U& value) {
    value++;
  }
};

这个例子中，increment 函数只接受支持自增运算符的类型作为参数。

预定义的 Concepts

C++20 标准库提供了一些预定义的 Concepts，例如：

std::integral：表示整数类型。
std::floating_point：表示浮点数类型。
std::same_as<T>：表示类型与 T 相同。
std::derived_from<T>：表示类型继承自 T。
std::convertible_to<T>：表示类型可以转换为 T。
std::equality_comparable<T>: 表示类型可以进行相等性比较 (==, !=)。
std::totally_ordered<T>: 表示类型可以进行全序比较 (<, >, <=, >=)。

我们可以直接使用这些预定义的 Concepts，而不用自己定义。

例如，我们可以使用 std::integral 来约束一个只能接受整数类型的模板函数：

template <std::integral T>
T factorial(T n) {
  if (n <= 1) {
    return 1;
  }
  return n * factorial(n - 1);
}

Concepts 与 SFINAE

在 Concepts 出现之前，我们通常使用 SFINAE (Substitution Failure Is Not An Error) 来实现类似的功能。SFINAE 是一种利用模板参数推导失败不会导致编译错误的机制，来选择不同的函数重载。

虽然 SFINAE 也可以实现类型约束，但它的语法比较复杂，可读性较差，而且错误提示也不够清晰。

相比之下，Concepts 的语法更简洁，可读性更好，错误提示也更友好。因此，在 C++20 中，我们应该优先使用 Concepts 来实现类型约束。

总结

C++ Concepts 是一种强大的工具，可以帮助我们更好地约束模板参数，提高代码可读性，改善错误提示，并提高编译速度。

使用 Concepts，我们可以让编译器更懂我们的代码，从而写出更健壮、更高效的 C++ 程序。

记住，Concepts 就像是给模板参数立规矩，让编译器在编译阶段就能发现错误，而不是等到运行时才崩溃。

所以，下次当你写模板代码时，不妨考虑一下使用 Concepts，给你的模板参数立个规矩吧！这会让你和你的编译器都更快乐！

希望这篇文章能让你对 C++ Concepts 有更深入的了解。祝你编程愉快！

C++ Concepts：给模板参数立规矩，让编译器更懂你

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