C++20 要来了！

C++的新标准又双叒叕要到来了，是的，C++20要来了！

图片来源：udemy.com

几周前，C++标准委会历史上规模最大的一次会议（180人参会）在美国San Diego召开，这次的会议上讨论确定哪些特性要加入到C++20中，哪些特性可能加入到C++20中。在明年二月份的会议当中将正式确定所有的C++20特性。

这次会议讨论的提案也是非常之多，达到了创纪录的274份，C++20的新特性如果要一一列出的话将是一份长长的清单，因此本文将只评论大部分确定要加入和可能加入到C++20的重要特性，让读者对C++的未来和演进趋势有一个基本的了解。

C++20中可能增加哪些重要特性，下面这个图可以提供一个参考。

下面是本文将评论的将进入和可能进入C++20的重要特性：

• Concepts

• Ranges

• Modules

• Coroutines

• Reflection

接下来让我们慢慢揭开C++20的面纱，看看这些特性到底是什么样的，它们解决了什么问题。

Concepts

在谈Concepts之前我想先介绍一下Concepts提出的背景和原因。众所周知，因为C++的模版和模版元具备非常强大的泛型抽象能力并且是zero overhead，所以模版在C++中备受推崇，大获成功，在各种C++库（ 如STL ）中被广泛使用。

然而，模版编程还存在一些问题，比如有些模版的代码写起来比较困难，读起来比较难懂，尤其是编译出错的时候，那些糟糕的让人摸不着头脑的错误提示让人头疼。因此，C++之父Bjarne Stroustrup很早就希望对模版做一些改进，让C++的模版编程变得简单好写，错误提示更明确。他早在1987年就开始做这方面的尝试了。

C++之父Bjarne Stroustrup

具体思路就是给模版参数加一些约束，这些约束相比之前的写法具有更强的表达能力和可读性，会简化C++的泛型模版代码的编写。

所以Concepts的出现主要是为了简化泛型编程，一个Concept就是一个编译期判断，用于约束模版参数，Concepts则是这些编译期判断的合集。下面通过一个例子来展示Concepts是如何简化模版编程的。

    template<typename T>
    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!

比如有这样一个类B，我们调用它的成员函数tostring时，对T类型进行限定，即限定T类型是std::string的可转换类型，这样做的目的是为了更安全，能在编译期就能检查错误。这里通过C++14的std::enableif_t来对T进行限定，但是长长的enableift看起来比较冗长繁琐，头重脚轻。来看看用Concepts怎么写这个代码的。

    template<typename T>
    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比之前长长的enableift要简洁不少，代码可读性也更好，CastableToString就是一个Concept，一个限定T为能被转换为std::string类型的Concept，通过requires相连接，语义上也更明确了，而且这个Concept还可以复用。

Concepts的这个语法也可能在最终的C++20中有少许不同，有可能还会变得更简洁，现在语法有几个候选版本，还没最终投票确定。

Ranges

相比STL，Ranges是更高一层的抽象，Ranges对STL做了改进，它是STL的下一代。为什么说Ranges是STL的未来？虽然STL在C++中提供的容器和算法备受推崇和广泛被使用，但STL一直存在两个问题：

• STL强制你必须传一个begin和end迭代器用来遍历一个容器；

• STL算法不方便组合在一起。

STL必须传迭代器，这个迭代器仅仅是辅助你完成遍历序列的技术细节，和我们的函数功能无关，大部分时候我们需要的是一个range，代表的是一个比迭代器更高层的抽象。

那么Ranges到底是什么呢？Ranges是一个引用元素序列的对象，在概念上类似于一对迭代器。这意味着所有的STL容器都是Ranges。在Ranges里我们不再传迭代器了，而是传range。比如下面的代码：

STL写法：

    std::vector<int> v{1, 2};
    std::sort(v.begin(), v.end());

Ranges写法：

    std::sort(v);

STL有时候不方便将一些算法组合在一起，来看一个例子：

    std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};

    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<<' ';
    }
    //最终会输出 4 8

上面这个例子希望得到vector中的偶数乘以2的结果，需求很简单，但是用STL写起来还是有些冗长繁琐，中间还定义了两个临时变量。如果用Ranges来实现这个需求，代码就会简单得多。

    auto results = v | ranges::view::filter([](int i){ return i % 2 == 0; })
                     | ranges::view::transform([](int i){ return i * 2; });

用Concetps我们可以很方便地将算法组合在一起，写法更简单，语义更清晰，并且还可以实现延迟计算避免了中间的临时变量，性能也会更好。

Concepts从设计上改进了之前STL的两个问题，让我们的容器和算法变得更加简单好用，还容易组合。

Modules

一直以来C++一直通过引用头文件方式使用库，而其他90年代以后的语言比如 Java 、C#、 Go 等语言都是通过import包的方式来使用库。现在C++决定改变这种情况了，在C++20中将引入Modules，它和Java、Go等语言的包的概念是类似的，直接通过import包来使用库，再也看不到头文件了。

为什么C++20不再希望使用#include方式了？因为使用头文件方式存在不少问题，比如有include很多模版的头文件将大大增加编译时间，代码生成物也会变大。而且引用头文件方式不利于做一些C++库和组件的管理工具，尤其是对于一些云环境和分布式环境下不方便管理，C++一直缺一个包管理工具，这也是C++被吐槽得很多的地方，现在C++20 Modules将改变这一切。

Modules在程序中的结构如下图：

上面的图中，每个方框表示一个翻译单元，存放在一个文件里并且可以被独立编译。每个Module由Module接口和实现组成，接口只有一份，实现可以有多份。

Modules接口和实现的语法：

    export module module_name;

    module module_name;

使用Modules：

    import module_name;

Modules允许你导出类，函数，变量，常量和模版等等。

接下来看一个使用Modules的例子：

    import std.vector; // #include <vector>
    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，是不是有种似曾相识的感觉呢。曾看到一个人说如果C++支持了Modules他就会从Java回归到C++，也说明这个特性也是非常受关注和期待的。

Coroutines

很多语言提供了Coroutine机制，因为Coroutine可以大大简化异步网络程序的编写，现在C++20中也要加入协程了（乐观估计C++20加入，悲观估计在C++23中加入）。

如果不用协程，写一个异步的网络程序是不那么容易的，以boost.asio的异步网络编程为例，我们需要注意的地方很多，比如异步事件完成的回调函数中需要保证调用对象仍然存在，如何构建异步回调链条等等，代码比较复杂，而且出了问题也不容易调试。而协程给我们提供了对异步编程优雅而高效的抽象，让异步编程变得简单！

C++ Courotines中增加了三个新的关键字：co_await，co_yield和co_return，如果一个函数体中有这三个关键字之一就变成Coroutine了。

co_await用来挂起和恢复一个协程，co_return用来返回协程的结果，co_yield返回一个值并且挂起协程。

下面来看看如何使用它们。

写一个lazy sequence：

    generator<int> get_integers( int start=0, int step=1 ) {
      for (int current=start; current+= step)
        co_yield current;
    }

    for(auto n : get_integers(0, 5)){
      std::cout<<n<<" ";
    }
    std::cout<<'\n';

上面的例子每次调用get_integers，只返回一个整数，然后协程挂起，下次调用再返回一个整数，因此这个序列不是即时生成的，而是延迟生成的。

接下来再看一下co_wait是如何简化异步网络程序的编写的：

    char data[1024];
    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);
    }

这个例子仅仅用了四行代码就完成了异步的echo，非常简洁！co_await会在异步读完成之前挂起协程，在异步完成之后恢复协程继续执行，执行到async_write时又会挂起协程直到异步写完成，异步写完成之后继续异步读，如此循环。如果不用协程代码会比较繁琐，需要像这样写：

    void do_read()
    {
      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，不使用协程来写异步代码的话，需要构建异步的回调链，需要保持异步回调的安全性等等。而使用协程可以大大简化异步网络程序的编写。

Reflection

C++中一直缺少反射功能，其他很多语言如Java、C#都具备运行期反射功能。反射可以用来做很多事情：比如做对象的序列化，把对象序列化为JSON、XML等格式，以及ORM中的实体映射，还有RPC远程过程（方法）调用等，反射是应用程序中非常需要的基础功能。现在C++终于要提供反射功能了，C++20中可会将反射作为实验库，在C++23中正式加入到标准中。

在反射还没有进入到C++标准之前，有很多人做了一些编译期反射的库，比如purecpp社区开源的序列化引擎iguana，以及ORM库ormpp，都是基于编译期反射实现的。然后，非语言层面支持的反射库存在种种不足之处，比如在实现上需要大量使用模版元和宏、不能访问私有成员等问题。

现在C++终于要提供完备地编译期反射功能了，为什么是编译期反射而不是像其它语言一样提供运行期反射，因为C++的一个重要设计哲学就是zero-overhead，编译期反射效率远高于运行期反射。

那么，通过C++20的编译期反射我们能得到什么呢？我们可以得到很多很多关于类型和对象的元信息，主要有：

• 获取对象类型或枚举类型的成员变量，成员函数的类型；

• 获取类型和成员的名称；

• 获取成员变量是静态的还是constexpr；

• 获取方法是virtual、public、protect还是private；

• 获取类型定义时的源代码所在的行和列。

所以C++20的反射其实是提供了一些可以编译期向编译器查询目标类型“元数据”的API，下面来看看C++20的反射用法：

    struct person{
        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新增关键字reflexpr返回的是person的元数据类型，接下来我们就可以查询这个元数据类型了，std::reflect::getdatamembers_t返回的是对象成员的元数据序列，我们可以像访问tuple一样访问这个序列，得到某一个字段的元数据之后我们就可以获取它的具体信息了，比如它的具体类型是什么，它的字段名是什么，它是公有还是私有的等等。

注意：C++20的反射语法还没有最终确定，这只是一种候选的语法实现，还有一种没有元编程的语法版本，该版本通过编译期容器和字符串来存放元数据，比如constexpr std::vector，constexpr std::map， constexpr  std::string等 ，这样就可以像普通的C++程序那样来操作元数据了，用起来可能更简单。

C++20的编译期反射实际上提供了一些编译期查询AST信息的接口，功能完备而强大。

总结

• Concepts让C++的模版程序的编写变得更简单和容易理解；

• Ranges让我们使用STL容器和算法更加简单，并且更容易组合算法及延迟计算；

• Modules帮助我们大大加快编译速度，同时弥补了C++使用库和缺乏包管理的缺陷；

• Coroutines帮助我们简化异步程序的编写；

• Reflection给我们提供强大的编译期AST元数据查询能力；

• ......

关于C++20的更多细节读者可以在这里查看：http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2018/。

总而言之，C++的新标准都是为了让C++变得更简单、更完善、更强大、更易学和使用，这也是C++之父希望未来C++演进的一个方向和目标。

C++20，一言以蔽之：Newer is Better！

在此呼吁现在仍然还在使用着20年前的标准C++98的公司尽早升级到最新的标准，跟上时代的发展，新标准意味这生产力和质量的提升，越早使用越早享受其带来的好处！

作者简介： 祁宇，modern c++开源社区purecpp.org创始人，《深入应用C++11》作者，开源库cinatra、feather作者，热爱开源，热爱modern C++。乐于研究和分享技术，多次在国际C++大会(cppcon)做演讲。

致谢：感谢purecpp社区的朋友：袁秩昊，吴咏炜和张轶对本文部分内容的review。

参考资料：

• 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

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