C++20 Concepts：当鸭子会嘎嘎叫，编译器才能认可你
嘿，各位程序员朋友们，有没有遇到过这样的窘境：写了一个模板函数，信心满满地觉得能处理各种类型，结果编译的时候编译器却跟你耍起了脾气，报了一堆看不懂的错误，让你怀疑人生？
别担心，你不是一个人！模板元编程的强大毋庸置疑，但它那晦涩难懂的错误信息，简直是程序员的噩梦。就像一位资深前辈曾经说过：“模板报错？那得先花半天时间解读编译器的‘死亡笔记’！”
C++20 Concepts 的出现，正是为了拯救我们于水火之中。它就像一位严格的“类型审查员”，在编译期就明确规定了模板参数需要满足的条件，让编译器能够发出更清晰、更友好的错误信息，避免我们陷入调试的深渊。
那么，Concepts 到底是什么？它又是如何与多态擦出火花的呢？让我们一起揭开它的神秘面纱。
Concepts：给类型加个“户口本”
你可以把 Concepts 想象成给类型颁发的一个“户口本”。这个户口本上明确记载了类型需要满足的各种“社会准则”，比如“必须能进行加法运算”、“必须能比较大小”、“必须有默认构造函数”等等。
只有符合这些准则的类型，才能顺利“落户”，被我们的模板函数所接纳。而那些不符合要求的“黑户”，则会被编译器毫不留情地拒之门外，并发出明确的警告：“嘿，你这类型不符合条件，没户口本，别想混进来！”
举个例子，我们想写一个模板函数，用来计算两个数的平均值。理论上，只要能进行加法和除法运算的类型，都可以用这个函数。但是，如果我们不加任何限制，用户可能会传入一个 std::string，然后编译器就会一脸懵逼地报错。
使用 Concepts，我们可以这样定义：
#include <concepts>
template <typename T>
concept Arithmetic = requires(T a, T b) {
a + b; // 必须能进行加法运算
a / b; // 必须能进行除法运算
};
template <Arithmetic T>
T average(T a, T b) {
return (a + b) / 2;
}
int main() {
std::cout << average(10, 20) << std::endl; // OK
// std::cout << average("hello", "world") << std::endl; // 编译错误！
return 0;
}在这个例子中，我们定义了一个名为 Arithmetic 的 Concept，它要求类型 T 必须能够进行加法和除法运算。然后，我们在 average 函数的模板参数列表中使用了 Arithmetic T，表示只有满足 Arithmetic Concept 的类型才能被 average 函数所接受。
如果用户尝试传入 std::string 类型的参数，编译器就会报错，并明确指出 std::string 不满足 Arithmetic Concept 的要求。这样，我们就能在编译期就发现错误，避免了运行时出现各种意想不到的问题。
Concepts 的语法糖：让代码更优雅
C++20 还提供了一些语法糖，让我们可以更方便地使用 Concepts。比如，我们可以直接在模板参数列表中使用 Concept 的名称：
template <Arithmetic T>
T average(T a, T b); // 等价于 template <typename T> requires Arithmetic<T> T average(T a, T b);我们还可以使用 auto 关键字来简化代码：
template <typename T>
requires Arithmetic<T>
auto average(T a, T b) { // 返回类型自动推导
return (a + b) / 2;
}这些语法糖让我们的代码更加简洁、易读，也更符合现代 C++ 的编程风格。
Concepts 与多态：编译期接口约束的利器
多态是面向对象编程的重要特性之一，它允许我们使用基类的指针或引用来操作派生类的对象，从而实现代码的灵活性和可扩展性。
传统的 C++ 多态主要依赖于虚函数来实现运行时多态。但是，虚函数的调用会带来一定的性能开销，而且只能在运行时进行类型检查。
Concepts 的出现，为我们提供了一种新的实现多态的方式：编译期多态。我们可以使用 Concepts 来约束模板参数，从而保证只有满足特定接口的类型才能被我们的模板函数所接受。
举个例子，我们想编写一个函数，用来打印各种形状的面积。我们可以定义一个 Shape Concept，要求类型必须有一个 area 方法：
#include <iostream>
#include <concepts>
template <typename T>
concept Shape = requires(T shape) {
{ shape.area() } -> std::convertible_to<double>; // 必须有一个 area 方法，返回类型可以转换为 double
};
template <Shape T>
void print_area(T shape) {
std::cout << "Area: " << shape.area() << std::endl;
}
class Circle {
public:
Circle(double radius) : radius_(radius) {}
double area() const { return 3.14159 * radius_ * radius_; }
private:
double radius_;
};
class Rectangle {
public:
Rectangle(double width, double height) : width_(width), height_(height) {}
double area() const { return width_ * height_; }
private:
double width_;
double height_;
};
int main() {
Circle circle(5);
Rectangle rectangle(10, 20);
print_area(circle); // OK
print_area(rectangle); // OK
// print_area(10); // 编译错误！
return 0;
}在这个例子中，我们定义了一个 Shape Concept，它要求类型必须有一个 area 方法，并且该方法的返回类型可以转换为 double。然后，我们在 print_area 函数的模板参数列表中使用了 Shape T，表示只有满足 Shape Concept 的类型才能被 print_area 函数所接受。
Circle 和 Rectangle 类都实现了 area 方法，因此它们都满足 Shape Concept 的要求，可以被 print_area 函数所处理。如果用户尝试传入一个不满足 Shape Concept 的类型，比如一个整数，编译器就会报错。
这种编译期多态的方式，避免了运行时虚函数调用的开销，同时也保证了类型安全。我们可以根据不同的 Concept，编写不同的模板函数，从而实现代码的灵活性和可扩展性。
Concepts 的更多玩法：让代码更强大
除了上面介绍的用法，Concepts 还有很多其他的玩法，可以让我们编写更强大、更灵活的代码。
- 组合 Concepts: 我们可以使用逻辑运算符（
&&、||、!）来组合多个 Concepts，从而定义更复杂的类型约束。 - 使用
requires子句: 我们可以在函数体中使用requires子句来对模板参数进行更细粒度的约束。 - 自定义 Concepts: 我们可以根据自己的需求，定义自己的 Concepts，从而实现更灵活的类型约束。
总结：拥抱 Concepts，告别模板的“死亡笔记”
C++20 Concepts 的出现，为我们提供了一种优雅的方式来实现编译期接口约束。它让编译器能够发出更清晰、更友好的错误信息，避免我们陷入调试的深渊。
通过使用 Concepts，我们可以编写更安全、更灵活、更易于维护的代码。它就像一位严格的“类型审查员”，在编译期就保证了代码的正确性，让我们能够更加自信地编写模板代码。
所以，各位程序员朋友们，让我们一起拥抱 Concepts，告别模板的“死亡笔记”，开启 C++ 编程的新篇章吧！相信你一定会爱上这种优雅而强大的编程方式。
希望这篇文章能够帮助你理解 C++20 Concepts 的基本概念和用法。当然，Concepts 的强大远不止于此，还有更多的细节和技巧等待你去探索和发现。不妨动手尝试一下，相信你会在实践中发现 Concepts 的更多魅力！