解读C++即将迎来的重大更新(二):C++20的核心语言

选自modernescpp

作者：JP Tech等

机器之心编译

参与：Panda、杜伟

C++20（C++ 编程语言标准 2020 版）将是 C++ 语言一次非常重大的更新，将为这门语言引入大量新特性。C++ 开发者 Rainer Grimm 通过一系列博客文章介绍 C++20 的新特性。目前这个系列文章已经更新了两篇，本篇是第二篇，主要介绍了 C++20 的核心语言（包括一些新的运算符和指示符）。

C++20 的核心语言

之前的一篇博客概览式地介绍了 C++20 的概念、范围、协程和模块，下面开始介绍它的核心语言。

三路比较运算符 <=>

三路比较运算符 <=> 通常被称为太空船运算符。飞船运算符能确定两个值 A 和 B 谁大谁小或相等。

编译器可以自动生成三路比较运算符。你只需要用 default 礼貌地要求它即可。在这种情况下，你会得到所有六种比较运算符：==、!=、<、 <=、>、>=。

#include?<compare>struct?MyInt?{??int?value;??MyInt(int?value):?value{value}?{?}??auto?operator<=>(const?MyInt&)?const?=?default;};

默认的 <=> 执行的是字典顺序比较（lexicographical comparison），使用从基类开始从左到右并以声明顺序（declaration order）使用非静态元素的顺序。

微软的博客上有一些相当复杂精细的示例：https://devblogs.microsoft.com/cppblog/simplify-your-code-with-rocket-science-c20s-spaceship-operator/

struct?Basics?{??int?i;??char?c;??float?f;??double?d;??auto?operator<=>(const?Basics&)?const?=?default;};struct?Arrays?{??int?ai[1];??char?ac[2];??float?af[3];??double?ad[2][2];??auto?operator<=>(const?Arrays&)?const?=?default;};struct?Bases?:?Basics,?Arrays?{??auto?operator<=>(const?Bases&)?const?=?default;};int?main()?{??constexpr?Bases?a?=?{?{?0,?'c',?1.f,?1.?},????????????????????????{?{?1?},?{?'a',?'b'?},?{?1.f,?2.f,?3.f?},?{?{?1.,?2.?},?{?3.,?4.?}?}?}?};??constexpr?Bases?b?=?{?{?0,?'c',?1.f,?1.?},????????????????????????{?{?1?},?{?'a',?'b'?},?{?1.f,?2.f,?3.f?},?{?{?1.,?2.?},?{?3.,?4.?}?}?}?};??static_assert(a?==?b);??static_assert(!(a?!=?b));??static_assert(!(a?<?b));??static_assert(a?<=?b);??static_assert(!(a?>?b));??static_assert(a?>=?b);}

我认为，这个代码段中最复杂的部分不是太空船运算符，而是使用聚合初始化（aggregate initialisation）来实现 Base 的初始化。聚合初始化本质上意味着如果所有元素是公开的，那么你可以直接初始化类类型（class、struct 或 union）的元素。在这个案例中，你可以使用示例中那样的 braced-initialisation-list。好吧，这确实经过了简化，详见：https://en.cppreference.com/w/cpp/language/aggregate_initialization

将字符串文字作为模板参数

在 C++20 之前，你不能将字符串用作非类型的模板参数。使用 C++20 时，你则可以这么做。我们可以在标准定义的 basic_fixed_string 中使用它们，其有一个 constexpr 构造函数。这个 constexpr 构造函数能在编译时实例化这个固定字符串。

template<std::basic_fixed_string?T>class?Foo?{????static?constexpr?char?const*?Name?=?T;public:????void?hello()?const;};int?main()?{????Foo<"Hello!">?foo;????foo.hello();}

constexpr 虚拟函数

由于动态类型是未知的，所以无法在常量表达式（constant expression）中调用虚拟函数。这个限制将在 C++20 中被解除。

指定初始化器

我首先谈谈聚合初始化。下面是一个简单示例：

//?aggregateInitialisation.cpp#include?<iostream>struct?Point2D{????int?x;????int?y;};class?Point3D{public:????int?x;????int?y;????int?z;};int?main(){????std::cout?<<?std::endl;????Point2D?point2D?{1,?2};????Point3D?point3D?{1,?2,?3};????std::cout?<<?"point2D:?"?<<?point2D.x?<<?"?"?<<?point2D.y?<<?std::endl;????std::cout?<<?"point3D:?"?<<?point3D.x?<<?"?"?<<?point3D.y?<<?"?"?<<?point3D.z?<<?std::endl;????std::cout?<<?std::endl;}

我认为无需对这个程序进行解释。看看这个程序的输出：

显式总比隐式好。我们看看这是什么意思。程序 aggregateInitialisation.cpp 中的初始化非常容易出错，因为你可能写反这个构造函数的参数，而且你永远没法察觉。来自 C99 的指定初始化器就能在这里大显身手了。

//?designatedInitializer.cpp#include?<iostream>struct?Point2D{????int?x;????int?y;};class?Point3D{public:????int?x;????int?y;????int?z;};int?main(){????std::cout?<<?std::endl;????Point2D?point2D?{.x?=?1,?.y?=?2};????//?Point2D?point2d?{.y?=?2,?.x?=?1};?????????//?(1)?error????Point3D?point3D?{.x?=?1,?.y?=?2,?.z?=?2};???????//?Point3D?point3D?{.x?=?1,?.z?=?2}??????????//?(2)??{1,?0,?2}????std::cout?<<?"point2D:?"?<<?point2D.x?<<?"?"?<<?point2D.y?<<?std::endl;????std::cout?<<?"point3D:?"?<<?point3D.x?<<?"?"?<<?point3D.y?<<?"?"?<<?point3D.z?<<?std::endl;????std::cout?<<?std::endl;}

实例 Point2d 和 Point3D 的参数从名称就能看出来。这个程序的输出就等同于程序 aggregateInitialisation.cpp 的输出。带注释（1）和（2）的行很有意思。行（1）会报错，因为指定器的顺序与它们的声明顺序不匹配。在（3）行中，y 的指定器缺失了。在这个案例中，y 会被初始化为 0，比如使用 braces-initialisation-list {1, 0, 3}.

对 lambda 的各种改进

C++20 在 lambda 方面的改进也很多。

如果你想要了解改动的细节，请参阅 Bartek 的博客：https://www.bfilipek.com/2019/02/lambdas-story-part1.html，里面介绍了 C++17 和 C++20 中的 lambda 改进。总之，我们会迎来两个有意思的变化。

• 允许 [=, this] 作为 lambda capture，并通过 [=] 弃用这个的隐式 capture

struct?Lambda?{????auto?foo()?{????????return?[=]?{?std::cout?<<?s?<<?std::endl;?};????}????std::string?s;};struct?LambdaCpp20?{????auto?foo()?{????????return?[=,?this]?{?std::cout?<<?s?<<?std::endl;?};????}????std::string?s;};

在 C++20 中，通过在结构体 lambda 中复制而实现隐式 [=] capture 会出现弃用警告。如果你通过复制 [=, this] 来显式地获取它，就不会收到 C++20 的弃用警告。

• 模板 lambda

你可能和我一样，最先想到的是：我们为什么需要模板 lambda？当你用 C++14 的 [](auto x){ return x; } 写一个通用 lambda 时，编译器会自动使用一个模板化的调用运算符来生成一个类：

template?<typename?T>T?operator(T?x)?const?{????return?x;}

有时候，你想要定义一个只对某个特定类型（如 std::vector）有效的 lambda。现在，模板 lambda 能帮我们做到这一点。你可以不使用类型参数，而是使用概念：

auto?foo?=?[]<typename?T>(std::vector<T>?const&?vec)?{?????????//?do?vector?specific?stuff????};

新属性：[[likely]] 和 [[unlikely]]

C++20 有 [[likely]] 和 [[unlikely]] 两个新属性。这两个新属性都允许为优化器提供提示：执行的路径是更可能或是更不可能。

for(size_t?i=0;?i?<?v.size();?++i){??if?(unlikely(v[i]?<?0))?sum?-=?sqrt(-v[i]);??else?sum?+=?sqrt(v[i]);}

指示符 consteval 和 constinit

新的指示符 consteval 会创建一个即时函数。对于一个即时函数，每一次函数调用都必然产生一个编译时常量表达式。即时函数是隐式的 constexpr 函数。

consteval?int?sqr(int?n)?{??return?n*n;}constexpr?int?r?=?sqr(100);??//?OKint?x?=?100;int?r2?=?sqr(x);?????????????//?Error

因为 x 不是常量表达式，所以最后的赋值会出错。因此，编译时不会执行 sqr(x)。

constinit 会确保有静态存储持续的变量在编译时被初始化。静态存储持续（static storage duration）的意思是对象会在程序开始时分配，在程序结束时又会重新分配。对于命名空间范围内声明的对象（全局对象），声明为 static 或 extern 的对象有静态存储持续。

std::source_location

C++11 有两个宏 __LINE__ 和 __FILE__ 来获取代码行和文件的信息。而在 C++20 中，类 source_location 能提供有关源代码的文件名、行号、列号和函数名信息。下面这个来自 cppreference.com的示例展示了第一种用途：

#include?<iostream>#include?<string_view>#include?<source_location>void?log(std::string_view?message,?????????const?std::source_location&?location?=?std::source_location::current()){????std::cout?<<?"info:"??????????????<<?location.file_name()?<<?":"??????????????<<?location.line()?<<?"?"??????????????<<?message?<<?'\n';}int?main(){????log("Hello?world!");??//?info:main.cpp:15?Hello?world!}