C++20 要来了！
導讀：C++的新標準又雙叒叕要到來了，是的，C++20要來了！
本文經授權轉自公眾號CSDN（ID：CSDNnews），作者：祁宇
▲圖片來源：udemy.com
幾周前，C++標準委會歷史上規模最大的一次會議（180人參會）在美國San Diego召開，這次的會議上討論確定哪些特性要加入到C++20中，哪些特性可能加入到C++20中。在明年二月份的會議當中將正式確定所有的C++20特性。
這次會議討論的提案也是非常之多，達到了創紀錄的274份，C++20的新特性如果要一一列出的話將是一份長長的清單，因此本文將只評論大部分確定要加入和可能加入到C++20的重要特性，讓讀者對C++的未來和演進趨勢有一個基本的了解。
C++20中可能增加哪些重要特性，下面這個圖可以提供一個參考。
下面是本文將評論的將進入和可能進入C++20的重要特性：
Concepts
Ranges
Modules
Coroutines
Reflection
接下來讓我們慢慢揭開C++20的面紗，看看這些特性到底是什么樣的，它們解決了什么問題。
01 Concepts
在談Concepts之前我想先介紹一下Concepts提出的背景和原因。眾所周知，因為C++的模版和模版元具備非常強大的泛型抽象能力并且是zero overhead，所以模版在C++中備受推崇，大獲成功，在各種C++庫（如STL）中被廣泛使用。
然而，模版編程還存在一些問題，比如有些模版的代碼寫起來比較困難，讀起來比較難懂，尤其是編譯出錯的時候，那些糟糕的讓人摸不著頭腦的錯誤提示讓人頭疼。
因此，C++之父Bjarne Stroustrup很早就希望對模版做一些改進，讓C++的模版編程變得簡單好寫，錯誤提示更明確。他早在1987年就開始做這方面的嘗試了。
▲C++之父Bjarne Stroustrup
具體思路就是給模版參數加一些約束，這些約束相比之前的寫法具有更強的表達能力和可讀性，會簡化C++的泛型模版代碼的編寫。
所以Concepts的出現主要是為了簡化泛型編程，一個Concept就是一個編譯期判斷，用于約束模版參數，Concepts則是這些編譯期判斷的合集。下面通過一個例子來展示Concepts是如何簡化模版編程的。
????class?B?{
????public:
??????template<typename?ToString?=?T>
??????typename?std::enable_if_t<std::is_convertible<ToString,?std::string>::value,?std::string>
??????to_string()?const?{
????????return?"Class?B<>";
??????}
????};
????B<size_t>?b1;?????????????????????????????//?OK
????std::cout?<<?b1.to_string()?<<?std::endl;?//?Compile?ERROR!
????B<std::string>?b2;????????????????????????//?OK
????std::cout?<<?b2.to_string()?<<?std::endl;?//?OK!
比如有這樣一個類B，我們調用它的成員函數tostring時，對T類型進行限定，即限定T類型是std::string的可轉換類型，這樣做的目的是為了更安全，能在編譯期就能檢查錯誤。
這里通過C++14的std::enableif_t來對T進行限定，但是長長的enableift看起來比較冗長繁瑣，頭重腳輕。來看看用Concepts怎么寫這個代碼的。
????concept?CastableToString?=?requires(T?a)?{
??????{?a?}?->?std::string;
????};
????template<typename?T>
????class?D?{
????public:
??????std::string?to_string()?const?requires?CastableToString<T>?{
????????return?"Class?D<>";
??????}
????};
可以看到，requires CastableToString比之前長長的enableift要簡潔不少，代碼可讀性也更好，CastableToString就是一個Concept，一個限定T為能被轉換為std::string類型的Concept，通過requires相連接，語義上也更明確了，而且這個Concept還可以復用。
Concepts的這個語法也可能在最終的C++20中有少許不同，有可能還會變得更簡潔，現在語法有幾個候選版本，還沒最終投票確定。
02 Ranges
相比STL，Ranges是更高一層的抽象，Ranges對STL做了改進，它是STL的下一代。為什么說Ranges是STL的未來？雖然STL在C++中提供的容器和算法備受推崇和廣泛被使用，但STL一直存在兩個問題：
STL強制你必須傳一個begin和end迭代器用來遍歷一個容器；
STL算法不方便組合在一起。
STL必須傳迭代器，這個迭代器僅僅是輔助你完成遍歷序列的技術細節，和我們的函數功能無關，大部分時候我們需要的是一個range，代表的是一個比迭代器更高層的抽象。
那么Ranges到底是什么呢？Ranges是一個引用元素序列的對象，在概念上類似于一對迭代器。這意味著所有的STL容器都是Ranges。在Ranges里我們不再傳迭代器了，而是傳range。比如下面的代碼：
STL寫法：
????std::sort(v.begin(),?v.end());
Ranges寫法：
STL有時候不方便將一些算法組合在一起，來看一個例子：
????std::vector<int>?event_numbers;
????std::copy_if(v.begin(),?v.end(),?std::back_inserter(event_numbers),?[](int?i){?return?i?%?2?==?0;});
????std::vector<int>?results;
????std::transform(event_numbers.begin(),?event_numbers.end(),?std::back_inserter(event_numbers),?[](int?i){?return?i?*?2;});
????for(int?n?:?results){
????????std::cout<<n<<'?';
????}
????//最終會輸出?4?8
上面這個例子希望得到vector中的偶數乘以2的結果，需求很簡單，但是用STL寫起來還是有些冗長繁瑣，中間還定義了兩個臨時變量。如果用Ranges來實現這個需求，代碼就會簡單得多。
?????????????????????|?ranges::view::transform([](int?i){?return?i?*?2;?});
用Concetps我們可以很方便地將算法組合在一起，寫法更簡單，語義更清晰，并且還可以實現延遲計算避免了中間的臨時變量，性能也會更好。
Concepts從設計上改進了之前STL的兩個問題，讓我們的容器和算法變得更加簡單好用，還容易組合。
03 Modules
一直以來C++一直通過引用頭文件方式使用庫，而其他90年代以后的語言比如Java、C#、Go等語言都是通過import包的方式來使用庫。現在C++決定改變這種情況了，在C++20中將引入Modules，它和Java、Go等語言的包的概念是類似的，直接通過import包來使用庫，再也看不到頭文件了。
為什么C++20不再希望使用#include方式了？因為使用頭文件方式存在不少問題，比如有include很多模版的頭文件將大大增加編譯時間，代碼生成物也會變大。
而且引用頭文件方式不利于做一些C++庫和組件的管理工具，尤其是對于一些云環境和分布式環境下不方便管理，C++一直缺一個包管理工具，這也是C++被吐槽得很多的地方，現在C++20 Modules將改變這一切。
Modules在程序中的結構如下圖：
上面的圖中，每個方框表示一個翻譯單元，存放在一個文件里并且可以被獨立編譯。每個Module由Module接口和實現組成，接口只有一份，實現可以有多份。
Modules接口和實現的語法：
????module?module_name;
使用Modules：
Modules允許你導出類，函數，變量，常量和模版等等。
接下來看一個使用Modules的例子：
????import?std.string;?//?#include?<string>
????import?std.iostream;?//?#include?<iostream>
????import?std.iterator;?//?#include?<iterator?>
????int?main()?{
????????using?namespace?std;
????????vector<string>?v?=?{
????????????"Socrates",?"Plato",?"Descartes",?"Kant",?"Bacon"
????????};
????????copy(begin(v),?end(v),?ostream_iterator<string>(cout,?"\n"));
????}
可以看到不用再include了，直接去import需要用到的Modules即可，是不是有種似曾相識的感覺呢。曾看到一個人說如果C++支持了Modules他就會從Java回歸到C++，也說明這個特性也是非常受關注和期待的。
04 Coroutines
很多語言提供了Coroutine機制，因為Coroutine可以大大簡化異步網絡程序的編寫，現在C++20中也要加入協程了（樂觀估計C++20加入，悲觀估計在C++23中加入）。
如果不用協程，寫一個異步的網絡程序是不那么容易的，以boost.asio的異步網絡編程為例，我們需要注意的地方很多，比如異步事件完成的回調函數中需要保證調用對象仍然存在，如何構建異步回調鏈條等等，代碼比較復雜，而且出了問題也不容易調試。而協程給我們提供了對異步編程優雅而高效的抽象，讓異步編程變得簡單！
C++ Courotines中增加了三個新的關鍵字：co_await，co_yield和co_return，如果一個函數體中有這三個關鍵字之一就變成Coroutine了。
co_await用來掛起和恢復一個協程，co_return用來返回協程的結果，co_yield返回一個值并且掛起協程。
下面來看看如何使用它們。
寫一個lazy sequence：
??????for?(int?current=start;?current+=?step)
????????co_yield?current;
????}
????for(auto?n?:?get_integers(0,?5)){
??????std::cout<<n<<"?";
????}
????std::cout<<'\n';
上面的例子每次調用get_integers，只返回一個整數，然后協程掛起，下次調用再返回一個整數，因此這個序列不是即時生成的，而是延遲生成的。
接下來再看一下co_wait是如何簡化異步網絡程序的編寫的：
????for?(;;)
????{
??????std::size_t?n?=?co_await?socket.async_read_some(boost::asio::buffer(data),?token);
??????co_await?async_write(socket,?boost::asio::buffer(data,?n),?token);
????}
這個例子僅僅用了四行代碼就完成了異步的echo，非常簡潔！co_await會在異步讀完成之前掛起協程，在異步完成之后恢復協程繼續執行，執行到async_write時又會掛起協程直到異步寫完成，異步寫完成之后繼續異步讀，如此循環。如果不用協程代碼會比較繁瑣，需要像這樣寫：
????{
??????auto?self(shared_from_this());
??????socket_.async_read_some(boost::asio::buffer(data_,?max_length),
????????[this,?self](boost::system::error_code?ec,?std::size_t?length)
?????????{
???????????if?(!ec)
???????????{
?????????????do_write(length);
???????????}
?????????});
??????}
????void?do_write(std::size_t?length)
????{
??????auto?self(shared_from_this());
??????boost::asio::async_write(socket_,?boost::asio::buffer(data_,?length),
????????[this,?self](boost::system::error_code?ec,?std::size_t?/*length*/)
????????{
??????????if?(!ec)
??????????{
????????????do_read();
??????????}
????????});
????}
可以看到，不使用協程來寫異步代碼的話，需要構建異步的回調鏈，需要保持異步回調的安全性等等。而使用協程可以大大簡化異步網絡程序的編寫。
05 Reflection
C++中一直缺少反射功能，其他很多語言如Java、C#都具備運行期反射功能。反射可以用來做很多事情：比如做對象的序列化，把對象序列化為JSON、XML等格式，以及ORM中的實體映射，還有RPC遠程過程（方法）調用等，反射是應用程序中非常需要的基礎功能。
現在C++終于要提供反射功能了，C++20中可會將反射作為實驗庫，在C++23中正式加入到標準中。
在反射還沒有進入到C++標準之前，有很多人做了一些編譯期反射的庫，比如purecpp社區開源的序列化引擎iguana，以及ORM庫ormpp，都是基于編譯期反射實現的。
然后，非語言層面支持的反射庫存在種種不足之處，比如在實現上需要大量使用模版元和宏、不能訪問私有成員等問題。
現在C++終于要提供完備地編譯期反射功能了，為什么是編譯期反射而不是像其它語言一樣提供運行期反射，因為C++的一個重要設計哲學就是zero-overhead，編譯期反射效率遠高于運行期反射。
那么，通過C++20的編譯期反射我們能得到什么呢？我們可以得到很多很多關于類型和對象的元信息，主要有：
獲取對象類型或枚舉類型的成員變量，成員函數的類型；
獲取類型和成員的名稱；
獲取成員變量是靜態的還是constexpr；
獲取方法是virtual、public、protect還是private；
獲取類型定義時的源代碼所在的行和列。
所以C++20的反射其實是提供了一些可以編譯期向編譯器查詢目標類型“元數據”的API，下面來看看C++20的反射用法：
????????int?id;
????????std::string?name;
????};
????using?MetaPerson?=?reflexpr(person);
????using?Members?=?std::reflect::get_data_members_t<MetaPerson>;
????using?Metax?=?std::reflect::get_data_members_t<Members>;
????constexpr?bool?is_public?=?std::reflect::is_public_v<Metax>;
????using?Field0?=?std::reflect::get_reflected_type_t<Metax>;//?int
上面的例子中，C++20新增關鍵字reflexpr返回的是person的元數據類型，接下來我們就可以查詢這個元數據類型了，std::reflect::getdatamembers_t返回的是對象成員的元數據序列，我們可以像訪問tuple一樣訪問這個序列，得到某一個字段的元數據之后我們就可以獲取它的具體信息了，比如它的具體類型是什么，它的字段名是什么，它是公有還是私有的等等。
注意：C++20的反射語法還沒有最終確定，這只是一種候選的語法實現，還有一種沒有元編程的語法版本，該版本通過編譯期容器和字符串來存放元數據，比如constexpr std::vector，constexpr std::map，constexpr?std::string等 ，這樣就可以像普通的C++程序那樣來操作元數據了，用起來可能更簡單。
C++20的編譯期反射實際上提供了一些編譯期查詢AST信息的接口，功能完備而強大。
06 總結
Concepts讓C++的模版程序的編寫變得更簡單和容易理解；
Ranges讓我們使用STL容器和算法更加簡單，并且更容易組合算法及延遲計算；
Modules幫助我們大大加快編譯速度，同時彌補了C++使用庫和缺乏包管理的缺陷；
Coroutines幫助我們簡化異步程序的編寫；
Reflection給我們提供強大的編譯期AST元數據查詢能力；
......
關于C++20的更多細節讀者可以在這里查看：
http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2018/
總而言之，C++的新標準都是為了讓C++變得更簡單、更完善、更強大、更易學和使用，這也是C++之父希望未來C++演進的一個方向和目標。
C++20，一言以蔽之：Newer is Better！
在此呼吁現在仍然還在使用著20年前的標準C++98的公司盡早升級到最新的標準，跟上時代的發展，新標準意味這生產力和質量的提升，越早使用越早享受其帶來的好處！
關于作者：祁宇，modern c++開源社區purecpp.org創始人，《深入應用C++11》作者，開源庫cinatra、feather作者，熱愛開源，熱愛modern C++。樂于研究和分享技術，多次在國際C++大會(cppcon)做演講。
致謝：感謝purecpp社區的朋友：袁秩昊，吳詠煒和張軼對本文部分內容的review。
參考資料：
http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2018/
https://isocpp.org/blog/2016/02/a-bit-of-background-for-concepts-and-cpp17-bjarne-stroustrup
https://www.reddit.com/r/cpp/comments/9vwvbz/2018sandiegoisoccommitteetripreportranges/
https://herbsutter.com/2018/11/13/trip-report-fall-iso-c-standards-meeting-san-diego/
http://www.jakubkonka.com/2017/09/02/type-traits-cpp.html
http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2014/n4128.html
https://arne-mertz.de/2017/01/ranges-stl-next-level/
https://www.fluentcpp.com/2018/02/09/introduction-ranges-library/
http://wg21.link/p1103
https://medium.com/@wrongway4you/brief-article-on-c-modules-f58287a6c64
https://www.codeproject.com/Articles/1214398/Modules-for-Modern-Cplusplus
https://lewissbaker.github.io/2017/11/17/understanding-operator-co-await
https://lewissbaker.github.io/2017/09/25/coroutine-theory
據統計，99%的大咖都完成了這個神操作
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以上是生活随笔為你收集整理的C++20 要来了！的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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