C++ 20的新特性

C++ 20是C++编程语言的最新版本，集成了一些新的特性和功能。本篇文章将会对一些C++ 20的新特性进行介绍。

概述

C++ 20包含了许多新的特性和功能，如：

• 概念
• 规划器和协程
• 模块
• 三向比较运算符
• 同步

在这篇文章中，我们将会简单介绍上述特性。

概念

概念是对C++泛型编程的一个新的发展。概念是一种在编译时检查类型的方式，这使得编程过程更加安全、更具普适性。通过概念，我们可以定义一种类型等价性，从而在编译时进行类型检查。

下面是一个简单的例子：

template<typename T>
concept integral = std::is_integral<T>::value;

template<integral T>
void test(T t) {
    std::cout << t;
}

test(1); // OK
test(1.0); // error: 1.0不是整数

在上述代码中，我们首先定义了一个叫做integral的概念，该概念用于检测模板类型参数是否为整数类型。然后，我们使用该概念来实现一个名为test的函数，该函数只接受整数类型的参数。通过使用概念，我们在编译时可以做出更多有效的检查。

规划器和协程

协程是一种轻量级的线程，它可以在代码之间随时切换并存储其状态。规划器则是一种可以自定义的执行器，它可以管理多个协程的执行。这两个特性的结合被认为是并发编程的一种强有力的方式。

下面是一个简单的例子：

#include <coroutine>
#include <iostream>

struct co_yielder {
    struct promise_type {
        auto initial_suspend() noexcept {
            return std::suspend_always();
        }

        auto final_suspend() noexcept {
            return std::suspend_always();
        }

        auto yield_value(int value) noexcept {
            m_value = value;
            return std::suspend_always();
        }

        auto get_return_object() {
            return co_yielder{this};
        }

        void return_void() noexcept {}

        int m_value;
    };

    co_yielder(promise_type* promise) : m_handle{std::coroutine_handle<promise_type>::from_promise(*promise)} {}

    co_yielder() : m_handle{} {}

    ~co_yielder() {
        if (m_handle) {
            m_handle.destroy();
        }
    }

    bool next() {
        if (not m_handle) {
            return false;
        }
        m_handle.resume();
        return not m_handle.done();
    }

    int get_value() const noexcept {
        return m_handle.promise().m_value;
    }

private:
    std::coroutine_handle<promise_type> m_handle;
};

co_yielder foo() {
    std::cout << "1" << std::endl;
    co_await std::suspend_always{};
    std::cout << "2" << std::endl;
    co_await std::suspend_always{};
    std::cout << "3" << std::endl;
    co_return 4;
}

int main() {
    auto f = foo();
    while (f.next()) {
        std::cout << "got " << f.get_value() << std::endl;
    }
    return 0;
}

在上述代码中，我们首先定义了一个名为co_yielder的类，该类是协程的一个包装器。然后，我们使用foo函数来创建一个协程，并通过co_yielder将协程进行了转换。最后，我们使用co_yielder来控制协程的执行流程，并获取其计算结果。

模块

C++ 20中引入了一种可插入式的编程模式，称为模块。C++模块提供了一种新的组织代码的方式，可以使代码更加简洁、易于维护。

下面是一个简单的例子：

// file gcd.h
export module gcd;

int gcd(int x, int y);

// file gcd.cpp
module gcd;

int gcd(int x, int y) {
    while (y) {
        auto t = x % y;
        x = y;
        y = t;
    }
    return x;
}

// file main.cpp
import gcd;

int main() {
    return gcd(9, 12);
}

在上述代码中，我们首先定义了一个模块gcd，其中定义了一个计算最大公约数的函数gcd。然后，我们在主文件中通过使用import关键字来导入gcd模块，并使用其提供的函数来计算最大公约数。

三向比较运算符

C++ 20中引入了三向比较运算符<=>，该运算符是一种通用的比较运算符，可以用于任意类型的比较。

下面是一个简单的例子：

struct point {
    int x, y;

    auto operator<=>(const point&) const = default;
};

int main() {
    point p1{0, 0};
    point p2{1, 1};
    std::cout << (p1 <=> p2) << std::endl; // -1
    std::cout << (p2 <=> p1) << std::endl; // 1
    std::cout << (p1 <=> p1) << std::endl; // 0
    return 0;
}

在上述代码中，我们首先定义了一个名为point的类型，并为其提供了默认的三向比较运算符。然后，我们创建了两个point对象，并使用<=>运算符来比较它们的大小关系。

同步

C++ 20中提供了一些新的同步原语，包括：

• std::atomic_ref
• std::stop_token
• std::latch
• std::barrier

这些原语提供了一种更加易于使用和高效的同步机制，可以用于多线程编程。

下面是一个简单的例子：

#include <barrier>
#include <iostream>
#include <thread>

std::barrier b{3};

void worker(int id) {
    std::cout << "worker " << id << " started" << std::endl;
    b.arrive_and_wait();
    std::cout << "worker " << id << " finished" << std::endl;
}

int main() {
    std::thread t1{worker, 1};
    std::thread t2{worker, 2};
    std::thread t3{worker, 3};
    t1.join();
    t2.join();
    t3.join();
    return 0;
}

在上述代码中，我们首先创建了一个名为b的std::barrier对象，该对象用于控制多线程之间的同步。然后，我们创建了三个工作线程，并使它们在b上进行同步。最后，我们等待工作线程的结束，并输出结果。

总结

C++ 20引入了许多新的特性和功能，包括概念、协程和规划器、模块、三向比较运算符和同步原语。这些特性和功能可以显著提高C++编程的效率和可靠性。