C++的新標(biāo)準(zhǔn)又雙叒叕要到來(lái)了，是的，C++20要來(lái)了！

圖片來(lái)源：udemy.com

幾周前，C++標(biāo)準(zhǔn)委會(huì)歷史上規(guī)模最大的一次會(huì)議（180人參會(huì)）在美國(guó)San Diego召開(kāi)，這次的會(huì)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(huì)議當(dāng)中將正式確定所有的C++20特性。

這次會(huì)議討論的提案也是非常之多，達(dá)到了創(chuàng)紀(jì)錄的274份，C++20的新特性如果要一一列出的話(huà)將是一份長(zhǎng)長(zhǎng)的清單，因此本文將只評(píng)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(duì)C++的未來(lái)和演進(jìn)趨勢(shì)有一個(gè)基本的了解。

C++20中可能增加哪些重要特性，下面這個(gè)圖可以提供一個(gè)參考。

下面是本文將評(píng)論的將進(jìn)入和可能進(jìn)入C++20的重要特性：

Concepts

Ranges

Modules

Coroutines

Reflection

接下來(lái)讓我們慢慢揭開(kāi)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(wèn)題。

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?yàn)镃++的模版和模版元具備非常強(qiáng)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(kù)（如STL）中被廣泛使用。

然而，模版編程還存在一些問(wèn)題，比如有些模版的代碼寫(xiě)起來(lái)比較困難，讀起來(lái)比較難懂，尤其是編譯出錯(cuò)的時(shí)候，那些糟糕的讓人摸不著頭腦的錯(cuò)誤提示讓人頭疼。因此，C++之父Bjarne Stroustrup很早就希望對(duì)模版做一些改進(jìn)，讓C++的模版編程變得簡(jiǎn)單好寫(xiě)，錯(cuò)誤提示更明確。他早在1987年就開(kāi)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(shù)加一些約束，這些約束相比之前的寫(xiě)法具有更強(qiáng)的表達(dá)能力和可讀性，會(huì)簡(jiǎn)化C++的泛型模版代碼的編寫(xiě)。

所以Concepts的出現(xiàn)主要是為了簡(jiǎn)化泛型編程，一個(gè)Concept就是一個(gè)編譯期判斷，用于約束模版參數(shù)，Concepts則是這些編譯期判斷的合集。下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)展示Concepts是如何簡(jiǎn)化模版編程的。

templateclassB{public:templatetypenamestd::enable_if_t::value,std::string>to_string()const{return"ClassB<>";}};Bb1;//OKstd::cout<b2;//OKstd::cout<

比如有這樣一個(gè)類(lèi)B，我們調(diào)用它的成員函數(shù)tostring時(shí)，對(duì)T類(lèi)型進(jìn)行限定，即限定T類(lèi)型是std::string的可轉(zhuǎn)換類(lèi)型，這樣做的目的是為了更安全，能在編譯期就能檢查錯(cuò)誤。這里通過(guò)C++14的std::enableif_t來(lái)對(duì)T進(jìn)行限定，但是長(zhǎng)長(zhǎng)的enableift看起來(lái)比較冗長(zhǎng)繁瑣，頭重腳輕。來(lái)看看用Concepts怎么寫(xiě)這個(gè)代碼的。

templateconceptCastableToString=requires(Ta){{a}->std::string;};templateclassD{public:std::stringto_string()constrequiresCastableToString{return"ClassD<>";}};

可以看到，requires CastableToString比之前長(zhǎng)長(zhǎng)的enableift要簡(jiǎn)潔不少，代碼可讀性也更好，CastableToString就是一個(gè)Concept，一個(gè)限定T為能被轉(zhuǎn)換為std::string類(lèi)型的Concept，通過(guò)requires相連接，語(yǔ)義上也更明確了，而且這個(gè)Concept還可以復(fù)用。

Concepts的這個(gè)語(yǔ)法也可能在最終的C++20中有少許不同，有可能還會(huì)變得更簡(jiǎn)潔，現(xiàn)在語(yǔ)法有幾個(gè)候選版本，還沒(méi)最終投票確定。

Ranges

相比STL，Ranges是更高一層的抽象，Ranges對(duì)STL做了改進(jìn)，它是STL的下一代。為什么說(shuō)Ranges是STL的未來(lái)？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(gè)問(wèn)題：

STL強(qiáng)制你必須傳一個(gè)begin和end迭代器用來(lái)遍歷一個(gè)容器；

STL算法不方便組合在一起。

STL必須傳迭代器，這個(gè)迭代器僅僅是輔助你完成遍歷序列的技術(shù)細(xì)節(jié)，和我們的函數(shù)功能無(wú)關(guān)，大部分時(shí)候我們需要的是一個(gè)range，代表的是一個(gè)比迭代器更高層的抽象。

那么Ranges到底是什么呢？Ranges是一個(gè)引用元素序列的對(duì)象，在概念上類(lèi)似于一對(duì)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(xiě)法：

std::vectorv{1,2};std::sort(v.begin(),v.end());

Ranges寫(xiě)法：

std::sort(v);

STL有時(shí)候不方便將一些算法組合在一起，來(lái)看一個(gè)例子：

std::vectorv{1,2,3,4,5};std::vectorevent_numbers;std::copy_if(v.begin(),v.end(),std::back_inserter(event_numbers),[](inti){returni%2==0;});std::vectorresults;std::transform(event_numbers.begin(),event_numbers.end(),std::back_inserter(event_numbers),[](inti){returni*2;});for(intn:results){std::cout<

上面這個(gè)例子希望得到vector中的偶數(shù)乘以2的結(jié)果，需求很簡(jiǎn)單，但是用STL寫(xiě)起來(lái)還是有些冗長(zhǎng)繁瑣，中間還定義了兩個(gè)臨時(shí)變量。如果用Ranges來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)需求，代碼就會(huì)簡(jiǎn)單得多。

autoresults=v|ranges::view::filter([](inti){returni%2==0;})|ranges::view::transform([](inti){returni*2;});

用Concetps我們可以很方便地將算法組合在一起，寫(xiě)法更簡(jiǎn)單，語(yǔ)義更清晰，并且還可以實(shí)現(xiàn)延遲計(jì)算避免了中間的臨時(shí)變量，性能也會(huì)更好。

Concepts從設(shè)計(jì)上改進(jìn)了之前STL的兩個(gè)問(wèn)題，讓我們的容器和算法變得更加簡(jiǎn)單好用，還容易組合。

Modules

一直以來(lái)C++一直通過(guò)引用頭文件方式使用庫(kù)，而其他90年代以后的語(yǔ)言比如Java、C#、Go等語(yǔ)言都是通過(guò)import包的方式來(lái)使用庫(kù)?，F(xiàn)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(yǔ)言的包的概念是類(lèi)似的，直接通過(guò)import包來(lái)使用庫(kù)，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?yàn)槭褂妙^文件方式存在不少問(wèn)題，比如有include很多模版的頭文件將大大增加編譯時(shí)間，代碼生成物也會(huì)變大。而且引用頭文件方式不利于做一些C++庫(kù)和組件的管理工具，尤其是對(duì)于一些云環(huán)境和分布式環(huán)境下不方便管理，C++一直缺一個(gè)包管理工具，這也是C++被吐槽得很多的地方，現(xiàn)在C++20 Modules將改變這一切。

Modules在程序中的結(jié)構(gòu)如下圖：

上面的圖中，每個(gè)方框表示一個(gè)翻譯單元，存放在一個(gè)文件里并且可以被獨(dú)立編譯。每個(gè)Module由Module接口和實(shí)現(xiàn)組成，接口只有一份，實(shí)現(xiàn)可以有多份。

Modules接口和實(shí)現(xiàn)的語(yǔ)法：

exportmodulemodule_name;modulemodule_name;

使用Modules：

importmodule_name;

Modules允許你導(dǎo)出類(lèi)，函數(shù)，變量，常量和模版等等。

接下來(lái)看一個(gè)使用Modules的例子：

importstd.vector;//#includeimportstd.string;//#includeimportstd.iostream;//#includeimportstd.iterator;//#includeintmain(){usingnamespacestd;vectorv={"Socrates","Plato","Descartes","Kant","Bacon"};copy(begin(v),end(v),ostream_iterator(cout," "));}

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(shí)的感覺(jué)呢。曾看到一個(gè)人說(shuō)如果C++支持了Modules他就會(huì)從Java回歸到C++，也說(shuō)明這個(gè)特性也是非常受關(guān)注和期待的。

Coroutines

很多語(yǔ)言提供了Coroutine機(jī)制，因?yàn)镃oroutine可以大大簡(jiǎn)化異步網(wǎng)絡(luò)程序的編寫(xiě)，現(xiàn)在C++20中也要加入?yún)f(xié)程了（樂(lè)觀估計(jì)C++20加入，悲觀估計(jì)在C++23中加入）。

如果不用協(xié)程，寫(xiě)一個(gè)異步的網(wǎng)絡(luò)程序是不那么容易的，以boost.asio的異步網(wǎng)絡(luò)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(diào)函數(shù)中需要保證調(diào)用對(duì)象仍然存在，如何構(gòu)建異步回調(diào)鏈條等等，代碼比較復(fù)雜，而且出了問(wèn)題也不容易調(diào)試。而協(xié)程給我們提供了對(duì)異步編程優(yōu)雅而高效的抽象，讓異步編程變得簡(jiǎn)單！

C++ Courotines中增加了三個(gè)新的關(guān)鍵字：co_await，co_yield和co_return，如果一個(gè)函數(shù)體中有這三個(gè)關(guān)鍵字之一就變成Coroutine了。

co_await用來(lái)掛起和恢復(fù)一個(gè)協(xié)程，co_return用來(lái)返回協(xié)程的結(jié)果，co_yield返回一個(gè)值并且掛起協(xié)程。

下面來(lái)看看如何使用它們。

寫(xiě)一個(gè)lazy sequence：

generatorget_integers(intstart=0,intstep=1){for(intcurrent=start;current+=step)co_yieldcurrent;}for(auton:get_integers(0,5)){std::cout<

上面的例子每次調(diào)用get_integers，只返回一個(gè)整數(shù)，然后協(xié)程掛起，下次調(diào)用再返回一個(gè)整數(shù)，因此這個(gè)序列不是即時(shí)生成的，而是延遲生成的。

接下來(lái)再看一下co_wait是如何簡(jiǎn)化異步網(wǎng)絡(luò)程序的編寫(xiě)的：

chardata[1024];for(;;){std::size_tn=co_awaitsocket.async_read_some(boost::asio::buffer(data),token);co_awaitasync_write(socket,boost::asio::buffer(data,n),token);}

這個(gè)例子僅僅用了四行代碼就完成了異步的echo，非常簡(jiǎn)潔！co_await會(huì)在異步讀完成之前掛起協(xié)程，在異步完成之后恢復(fù)協(xié)程繼續(xù)執(zhí)行，執(zhí)行到async_write時(shí)又會(huì)掛起協(xié)程直到異步寫(xiě)完成，異步寫(xiě)完成之后繼續(xù)異步讀，如此循環(huán)。如果不用協(xié)程代碼會(huì)比較繁瑣，需要像這樣寫(xiě)：

voiddo_read(){autoself(shared_from_this());socket_.async_read_some(boost::asio::buffer(data_,max_length),[this,self](boost::system::error_codeec,std::size_tlength){if(!ec){do_write(length);}});}voiddo_write(std::size_tlength){autoself(shared_from_this());boost::asio::async_write(socket_,boost::asio::buffer(data_,length),[this,self](boost::system::error_codeec,std::size_t/*length*/){if(!ec){do_read();}});}

可以看到，不使用協(xié)程來(lái)寫(xiě)異步代碼的話(huà)，需要構(gòu)建異步的回調(diào)鏈，需要保持異步回調(diào)的安全性等等。而使用協(xié)程可以大大簡(jiǎn)化異步網(wǎng)絡(luò)程序的編寫(xiě)。

Reflection

C++中一直缺少反射功能，其他很多語(yǔ)言如Java、C#都具備運(yùn)行期反射功能。反射可以用來(lái)做很多事情：比如做對(duì)象的序列化，把對(duì)象序列化為JSON、XML等格式，以及ORM中的實(shí)體映射，還有RPC遠(yuǎn)程過(guò)程（方法）調(diào)用等，反射是應(yīng)用程序中非常需要的基礎(chǔ)功能。現(xiàn)在C++終于要提供反射功能了，C++20中可會(huì)將反射作為實(shí)驗(yàn)庫(kù)，在C++23中正式加入到標(biāo)準(zhǔn)中。

在反射還沒(méi)有進(jìn)入到C++標(biāo)準(zhǔn)之前，有很多人做了一些編譯期反射的庫(kù)，比如purecpp社區(qū)開(kāi)源的序列化引擎iguana，以及ORM庫(kù)ormpp，都是基于編譯期反射實(shí)現(xiàn)的。然后，非語(yǔ)言層面支持的反射庫(kù)存在種種不足之處，比如在實(shí)現(xiàn)上需要大量使用模版元和宏、不能訪(fǎng)問(wèn)私有成員等問(wèn)題。

現(xiàn)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(yǔ)言一樣提供運(yùn)行期反射，因?yàn)镃++的一個(gè)重要設(shè)計(jì)哲學(xué)就是zero-overhead，編譯期反射效率遠(yuǎn)高于運(yùn)行期反射。

那么，通過(guò)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(guān)于類(lèi)型和對(duì)象的元信息，主要有：

獲取對(duì)象類(lèi)型或枚舉類(lèi)型的成員變量，成員函數(shù)的類(lèi)型；

獲取類(lèi)型和成員的名稱(chēng)；

獲取成員變量是靜態(tài)的還是constexpr；

獲取方法是virtual、public、protect還是private；

獲取類(lèi)型定義時(shí)的源代碼所在的行和列。

所以C++20的反射其實(shí)是提供了一些可以編譯期向編譯器查詢(xún)目標(biāo)類(lèi)型“元數(shù)據(jù)”的API，下面來(lái)看看C++20的反射用法：

structperson{intid;std::stringname;};usingMetaPerson=reflexpr(person);usingMembers=std::reflect::get_data_members_t;usingMetax=std::reflect::get_data_members_t;constexprboolis_public=std::reflect::is_public_v;usingField0=std::reflect::get_reflected_type_t;//int

上面的例子中，C++20新增關(guān)鍵字reflexpr返回的是person的元數(shù)據(jù)類(lèi)型，接下來(lái)我們就可以查詢(xún)這個(gè)元數(shù)據(jù)類(lèi)型了，std::reflect::getdatamembers_t返回的是對(duì)象成員的元數(shù)據(jù)序列，我們可以像訪(fǎng)問(wèn)tuple一樣訪(fǎng)問(wèn)這個(gè)序列，得到某一個(gè)字段的元數(shù)據(jù)之后我們就可以獲取它的具體信息了，比如它的具體類(lèi)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(yǔ)法還沒(méi)有最終確定，這只是一種候選的語(yǔ)法實(shí)現(xiàn)，還有一種沒(méi)有元編程的語(yǔ)法版本，該版本通過(guò)編譯期容器和字符串來(lái)存放元數(shù)據(jù)，比如constexpr std::vector，constexpr std::map，constexprstd::string等 ，這樣就可以像普通的C++程序那樣來(lái)操作元數(shù)據(jù)了，用起來(lái)可能更簡(jiǎn)單。

C++20的編譯期反射實(shí)際上提供了一些編譯期查詢(xún)AST信息的接口，功能完備而強(qiáng)大。

總結(jié)

Concepts讓C++的模版程序的編寫(xiě)變得更簡(jiǎn)單和容易理解；

Ranges讓我們使用STL容器和算法更加簡(jiǎn)單，并且更容易組合算法及延遲計(jì)算；

Modules幫助我們大大加快編譯速度，同時(shí)彌補(bǔ)了C++使用庫(kù)和缺乏包管理的缺陷；

Coroutines幫助我們簡(jiǎn)化異步程序的編寫(xiě)；

Reflection給我們提供強(qiáng)大的編譯期AST元數(shù)據(jù)查詢(xún)能力；

......

關(guān)于C++20的更多細(xì)節(jié)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(biāo)準(zhǔn)都是為了讓C++變得更簡(jiǎn)單、更完善、更強(qiáng)大、更易學(xué)和使用，這也是C++之父希望未來(lái)C++演進(jìn)的一個(gè)方向和目標(biāo)。

C++20，一言以蔽之：Newer is Better！

在此呼吁現(xiàn)在仍然還在使用著20年前的標(biāo)準(zhǔn)C++98的公司盡早升級(jí)到最新的標(biāo)準(zhǔn)，跟上時(shí)代的發(fā)展，新標(biāo)準(zhǔn)意味這生產(chǎn)力和質(zhì)量的提升，越早使用越早享受其帶來(lái)的好處！