C++20新特性Concepts(概念)的用法

在 C++20 中，概念 (Concepts) 是一种用于约束化泛型编程的方法。它们可以用于确保模板参数满足特定的要求，并且可以使代码更易于阅读和维护。 下面是一些使用 concepts 的例子：

#include <concepts>

// 定义一个整数类型的概念
template<typename T>
concept Integral = std::is_integral_v<T>;

// 定义一个可以进行加法运算的概念
template<typename T>
concept Addable = requires(T t, T u) {
    {t + u} -> std::same_as<T>;
};

// 使用这两个概念来定义一个通用的加法函数
template<Integral T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

// 使用 Addable 概念来定义一个通用的加法函数
template<Addable T>
auto add(T a, T b) -> decltype(a + b) {
    return a + b;
}

在这个例子中，Integral 是一个概念，它定义了一个必须是整数类型的模板参数。然后，Addable 是另一个概念，它定义了一个可以进行加法运算的模板参数。 最后，我们定义了两个通用的加法函数，分别使用了 Integral 和 Addable 这两个概念来约束模板参数。这样，只有当传入的模板参数满足相应的要求时，这两个函数才能成功编译并运行。 通过这种方式，我们可以利用 concepts 来编写更加健壮、易于理解和维护的代

要调用上述示例中的 add 函数，你可以像下面这样使用：

#include <iostream>
  
int main() {
    // 调用第一个 `add` 函数
    // int result1 = add(3, 5);  // ERROR: 编译器不知道调用哪个add，因为两个都符合
    // 输出结果
    // std: cout << "result1: " << result1 << std::endl;

    // 调用第二个 `add` 函数
    double result2 = add(3.5, 4.7);  // 调用第二个add
    // 输出结果
    std::cout << "result2: " << result2 << std::endl;
    return 0;
}

在这段代码中，我们将 add 函数应用于整数和浮点数，第二个调用因为参数类型满足了Addable 这个概念的要求，所以可以正确运行。即符合Addable这个概念的类型T都可以调用第二个add函数。

以下是一个简单的示例，展示如何使用 constraints 和 concepts 在 C++20 中定义一个排序函数：

cpp
#include <concepts>
#include <iostream>
// 定义一个可以进行比较的概念
template<typename T>
concept Comparable = requires(T t, T u) {
   {t == u};
   {t != u};
   {t < u};
   {t > u};
   {t <= u};
   {t >= u};
};

// 使用这个概念来定义一个通用的排序函数
template<Comparable T>
void sort(T arr[], int n) {
    for (int i = 0; i < n - 1; ++i) {
         for (int j = i + 1; j < n; ++j) {
              if (arr[j] < arr[i]) {
                  std::swap(arr[i], arr[j]);
              }
         }
    }
}

int main() {
     // 定义一个整数数组
    int arr[] = {1, 3, 6, 9, 5, 4};
    // 尝试调用 `sort` 函数
    sort(arr, 6);
    // 输出数组元素
    for (int i = 0; i < 6; ++i) {
          std::cout << arr[i] << ' ';
    }
    
    return 0;
}

在这个例子中，sort 函数是一个模板函数，它接受一个 Comparable 类型的对象数组作为输入，并对其进行排序。由于 Comparable 概念定义了可以进行比较操作的对象类型，所以这个函数可以用于符合Comparable要求的任何类型。

C++20 中的 concepts 提供了以下几个好处：

1. 更精确的模板参数约束：Concepts 允许你更精确地描述模板参数的要求，从而提高模板代码的可靠性和可复用性。
2. 更好的错误诊断：Concepts 可以帮助编译器在编译期间检测模板参数不满足要求的情况，并提供更具体的错误信息，从而帮助开发人员更快地定位和解决问题。
3. 更好的代码可读性：Concepts 可以使模板代码更易于阅读和理解，因为它们明确地描述了模板参数的要求。
4. 更好的代码组织：Concepts 可以帮助你将模板代码组织成更小、更独立的模块，从而提高代码的可维护性和可扩展性。
5. 更好的类型推导：Concepts 可以帮助编译器更好地推导模板参数的类型，从而减少模板代码中的类型声明和转换。