C++20新特性完全指南 #

引言 #

C++20带来了一系列革命性的改进，从Ranges到Concepts，从协程到模块化系统，这些新特性让C++的开发效率和代码质量都得到了显著提升。

语言特性 #

比较运算符<=> #

对于 (a <=> b)，如果a > b ，则运算结果>0，如果a < b，则运算结果<0，如果a==b，则运算结果等于0，注意下，运算符的结果类型会根据a和b的类型来决定，所以我们平时使用时候最好直接用auto，方便快捷。

#include <compare>
#include <iostream> 
int main() {    
    double foo = 0.0;    
    double bar = 1.0;     
    auto res = foo <=> bar;     
    if (res < 0)        
        std::cout << "foo is less than bar";    
    else if (res == 0)        
        std::cout << "foo and bar are equal";    
    else if (res > 0)        
        std::cout << "foo is greater than bar";}

输出：

foo is less than bar

指定初始化 #

struct A { int x; int y; int z; };
A a{.y = 2, .x = 1}; // error; designator order does not match declaration order
A b{.x = 1, .z = 2};

这种乱序初始化方式在C语言中可以，但是在C++中是不可以的，C++里一定要按顺序初始化。

for循环括号里可以初始化 #

#include <iostream>
#include <vector>
int main() {
    std::vector<int> v = {0, 1, 2, 3, 4, 5};
    for (const int& i : v) // access by const reference
        std::cout << i << ' ';
    std::cout << '\n';
    for (auto i : v) // access by value, the type of i is int
        std::cout << i << ' ';
    std::cout << '\n';
    for (auto n = v.size(); auto i : v) // the init-statement (C++20)
        std::cout << --n + i << ' ';
    std::cout << '\n';
}

多了一个char8_t 类型 #

和普通的char没区别，就是容易区分出具体大小而已，就像int32_t与int一样。

[[no_unique_address]] #

看着貌似没啥用，没具体关注…

[[likely]]和[[unlikely]] #

在分支预测时，用于告诉编译器哪个分支更容易被执行，哪个不容易执行，方便编译器做优化。

constexpr long long fact(long long n) noexcept {    
    if (n > 1) [[likely]]        
        return n * fact(n - 1);    
    else [[unlikely]]        
        return 1;}

lambda表达式的捕获 #

C++20之前[=]会隐式捕获this，而C++20需要显式捕获，这样[=, this]

struct S2 { void f(int i); };
void S2::f(int i){
    [=]{};          // OK: by-copy capture default
    [=, &i]{};      // OK: by-copy capture, except i is captured by reference
    [=, *this]{};   // until C++17: Error: invalid syntax
                    // since c++17: OK: captures the enclosing S2 by copy
    [=, this] {};   // until C++20: Error: this when = is the default
                    // since C++20: OK, same as [=]}

lambda表达式可以使用模板 #

// generic lambda, operator() is a template with two parameters
auto glambda = []<class T>(T a, auto&& b) { return a < b; }; 

// generic lambda, operator() is a template with one parameter pack
auto f = []<typename ...Ts>(Ts&& ...ts) {   
    return foo(std::forward<Ts>(ts)...);
};

consteval #

consteval修饰的函数只会在编译期间执行，如果不能编译期间执行，则编译失败。

consteval int f() { return 42; }

constinit #

断言一个变量有静态初始化，即零初始化和常量初始化，否则程序是有问题的。

const char *g() { return "dynamic initialization"; }
constexpr const char *f(bool p) { return p ? "constant initializer" : g(); }

constinit const char *c = f(true); // OK
// constinit const char *d = f(false); // error

删除了在很多上下文中需要使用typename来消除类型歧义的要求 #

template<typename IterT>
void workWithIterator(IterT it){
    typename std::iterator_traits<IterT>::value_type tmp(*it); // C++20前
    std::iterator_traits<IterT>::value_type tmp(*it); // C++20
}

结构体直接初始化 #

T object {arg1, arg2, ... }; // C++11
T object { .designator = arg1 , .designator { arg2 } ... }; // C++20

协程 #

协程具体是什么不做过多介绍，它最大的特点就是可以使用顺序代码的逻辑执行异步的任务，让我们写异步代码非常的方便。

如果一个函数的定义有以下任何一种情况，那么它就是协程：

使用co_await操作符暂停执行，直到恢复

task<> tcp_echo_server() {  
    char data[1024];  
    for (;;) {    
        size_t n = co_await socket.async_read_some(buffer(data));    
        co_await async_write(socket, buffer(data, n));  
    }
}

使用关键字co_yield暂停执行，返回一个值

generator<int> iota(int n = 0) {  
    while(true)    
        co_yield n++; 
}

使用关键字co_return完成执行，返回一个值

lazy<int> f() {  
    co_return 7; 
}

每个协程都必须有一个返回类型来满足以下的许多要求。

示例代码：

#include <coroutine>
#include <iostream>
#include <stdexcept>
#include <thread>

auto switch_to_new_thread(std::jthread& out) {  
    struct awaitable {    
        std::jthread* p_out;    
        bool await_ready() { return false; }    
        void await_suspend(std::coroutine_handle<> h) {      
            std::jthread& out = *p_out;      
            if (out.joinable())        
                throw std::runtime_error("Output jthread parameter not empty");      
            out = std::jthread([h] { h.resume(); });      
            // Potential undefined behavior: accessing potentially destroyed *this      
            // std::cout << "New thread ID: " << p_out->get_id() << '\n';      
            std::cout << "New thread ID: " << out.get_id() << '\n'; // this is OK    
        }    
        void await_resume() {}  
    };  
    return awaitable{&out};
} 

struct task {  
    struct promise_type {    
        task get_return_object() { return {}; }    
        std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }    
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }    
        void return_void() {}    
        void unhandled_exception() {}  
    }; 
}; 

task resuming_on_new_thread(std::jthread& out) {  
    std::cout << "Coroutine started on thread: " << std::this_thread::get_id() << '\n';  
    co_await switch_to_new_thread(out);  // awaiter destroyed here  
    std::cout << "Coroutine resumed on thread: " << std::this_thread::get_id() << '\n'; 
} 

int main() {  
    std::jthread out;  
    resuming_on_new_thread(out);
}

限制：

协程不能使用可变参数、普通返回语句或占位符返回类型(auto或Concept)。Constexpr函数、构造函数、析构函数和主函数不能是协程。

Modules #

// helloworld.cpp
export module helloworld;  // module declaration
import <iostream>;         // import declaration 

export void hello() {      // export declaration    
    std::cout << "Hello world!\n";
}

// main.cpp
import helloworld;  // import declaration 

int main() {    
    hello();
}

modules使用方式和include差不多，但modules使用比include头文件速度更快，C++全球开发者大会中，C++之父贴出来过测试数据，modules效率比include高了25倍。

using 可以引用enum #

enum class Animal {  
    kCat,  
    kGog  
}; 
int main() {    
    Animal animal;    
    using enum Animal;    
    switch(animal) {        
        case kCat:            
            break;    
    }
}

Constraints and concepts约束和概念 #

类模板、函数模板和非模板函数(通常是类模板的成员)可以与一个约束相关联，这个约束指定了对模板实参的要求，这些实参可用于选择最合适的函数重载和模板特化。

这些需求的命名被称为概念。每个概念都是一个谓词，在编译时计算，并成为模板接口的一部分，在那里它被用作约束：

#include <string>
#include <cstddef>
#include <concepts>

template<typename T>
concept Hashable = requires(T a) {    
    { std::hash<T>{}(a) } -> std::convertible_to<std::size_t>;
}; 

struct meow {}; 

// Constrained C++20 function template:
template<Hashable T>
void f(T) {}
int main() { 
    using std::operator""s; 
    f("abc"s); // OK, std::string satisfies Hashable 
    //f(meow{}); // Error: meow does not satisfy Hashable
}

缩写函数模板 #

void f1(auto); // same as template<class T> void f(T)
void f2(C1 auto); // same as template<C1 T> void f2(T), if C1 is a concept
void f3(C2 auto...); // same as template<C2... Ts> void f3(Ts...), if C2 is a concept
void f4(const C3 auto*, C4 auto&); // same as template<C3 T, C4 U> void f4(const T*, U&);
template <class T, C U>
void g(T x, U y, C auto z); // same as template<class T, C U, C W> void g(T x, U y, W z);

新的library特性 #

std::format系列 #

std::format可用于替代printf，它的目的是补充现有的c++ I/O流库，并重用它的一些基础设施，如用户定义类型的重载插入操作符。

std::string message = std::format("The answer is {}.", 42);

增加日历和时区的支持 #

增加了std::atomic：让智能指针线程安全 #

source_location：可作为LINE 、func这些宏的替代： #

#include <iostream>
#include <string_view>
#include <source_location>

void log(const std::string_view message,         
         const std::source_location& location = std::source_location::current()){
    std::cout << "info: "              
              << location.file_name() << "("              
              << location.line() << ":"              
              << location.column() << ") `"              
              << location.function_name() << "` "              
              << message << '\n';
}

int main(int, char*[]){
    log("Hello world!");
}

span：类模板span可以表示一个片段。 #

#include <algorithm>
#include <cstddef>
#include <iostream>
#include <span>

template<class T, std::size_t N> [[nodiscard]]
constexpr auto slide(std::span<T,N> s, std::size_t offset, std::size_t width) {
    return s.subspan(offset, offset + width <= s.size() ? width : 0U);
}

template<class T, std::size_t N, std::size_t M> [[nodiscard]]
constexpr bool starts_with(std::span<T,N> data, std::span<T,M> prefix) {
    return data.size() >= prefix.size()
         && std::equal(prefix.begin(), prefix.end(), data.begin());
}

template<class T, std::size_t N, std::size_t M> [[nodiscard]]
constexpr bool ends_with(std::span<T,N> data, std::span<T,M> suffix) {
    return data.size() >= suffix.size()
         && std::equal(data.end() - suffix.size(), data.end(),                       
                      suffix.end() - suffix.size());
}

template<class T, std::size_t N, std::size_t M> [[nodiscard]]
constexpr bool contains(std::span<T,N> span, std::span<T,M> sub) {
    return std::search(span.begin(), span.end(), sub.begin(), sub.end())
        != span.end();
}

void print(const auto& seq) {
    for (const auto& elem : seq) std::cout << elem << ' ';
    std::cout << '\n';
}

int main(){
    constexpr int a[] { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 };
    constexpr int b[] { 8, 7, 6 };

    for (std::size_t offset{}; ; ++offset) {
        constexpr std::size_t width{6};
        auto s = slide(std::span{a}, offset, width);
        if (s.empty())
            break;
        print(s);
    }

    static_assert(starts_with(std::span{a}, std::span{a,4})
        && starts_with(std::span{a+1, 4}, std::span{a+1,3})
        && !starts_with(std::span{a}, std::span{b})
        && !starts_with(std::span{a,8}, std::span{a+1,3})
        && ends_with(std::span{a}, std::span{a+6,3})
        && !ends_with(std::span{a}, std::span{a+6,2})
        && contains(std::span{a}, std::span{a+1,4})
        && !contains(std::span{a,8}, std::span{a,9}));
}

endian：可获取当前平台是大端序还是小端序 #

#include <bit>
#include <iostream>

int main() { 
    if constexpr (std::endian::native == std::endian::big) {     
        std::cout << "big-endian" << '\n'; 
    } 
    else if constexpr (std::endian::native == std::endian::little) {     
        std::cout << "little-endian"  << '\n'; 
    } 
    else {     
        std::cout << "mixed-endian"  << '\n'; 
    } 
}

make_shared 支持构造数组 #

std::remove_cvref看名字就知道，去除CV，去除引用 #

#include <iostream>
#include <type_traits>

int main(){
    std::cout << std::boolalpha
              << std::is_same_v<std::remove_cvref_t<int>, int> << '\n'
              << std::is_same_v<std::remove_cvref_t<int&>, int> << '\n'
              << std::is_same_v<std::remove_cvref_t<int&&>, int> << '\n'
              << std::is_same_v<std::remove_cvref_t<const int&>, int> << '\n'
              << std::is_same_v<std::remove_cvref_t<const int[2]>, int[2]> << '\n'
              << std::is_same_v<std::remove_cvref_t<const int(&)[2]>, int[2]> << '\n'
              << std::is_same_v<std::remove_cvref_t<int(int)>, int(int)> << '\n';
}
结果全是true

std::to_address：获得由p表示的地址，而不形成对p所指向的对象的引用。 #

线程同步： #

barrier：屏障
latch：CountDownLatch
counting_semaphore：信号量

std::jthread：之前的std::thread在析构时如果没有join或者detach会crash，而jthread在析构时会自动join。jthread也可以取消线程：request_stop()。 #

C++20也引进了一些中断线程执行的相关类：

stop_token：查询线程是否中断
stop_source：请求线程停止运行
stop_callback：stop_token执行时，可以触发的回调函数

basic_osyncstream：它是对std::basic_syncbuf的再包装，直接使用std::cout多线程下可能出现数据交叉，osyncstream不会发生这种情况。 #

{ 
    std::osyncstream synced_out(std::cout); // synchronized wrapper for std::cout 
    synced_out << "Hello, "; 
    synced_out << "World!"; 
    synced_out << std::endl; // flush is noted, but not yet performed 
    synced_out << "and more!\n"; // characters are transferred and std::cout is flushed 
}

string的系列操作 #

string::starts_with
string::ends_with
string_view::starts_with
string::view::ends_with

#include <iostream>
#include <string_view>
#include <string>

template <typename PrefixType>
void test_prefix_print(const std::string& str, PrefixType prefix){
    std::cout << '\'' << str << "' starts with '" << prefix << "': " <<
        str.starts_with(prefix) << '\n';
}

int main(){
    std::boolalpha(std::cout);    
    auto helloWorld = std::string("hello world");    
    test_prefix_print(helloWorld, std::string_view("hello"));    
    test_prefix_print(helloWorld, std::string_view("goodbye"));    
    test_prefix_print(helloWorld, 'h');    
    test_prefix_print(helloWorld, 'x');
}

std::assume_aligned #

template< std::size_t N, class T >
[[nodiscard]] constexpr T* assume_aligned(T* ptr);

指定多少字节对齐，来进一步生成有效的代码。

void f(int* p) {   
    int* p1 = std::assume_aligned<256>(p);   
    // Use p1, not p, to ensure benefit from the alignment assumption.   
    // However, the program has undefined behavior if p is not aligned   
    // regardless of whether p1 is used.
}

bind_front：和使用std::bind绑定第一个参数效果相同 #

std::ssize：signed size #

#include <iostream>
#include <vector>
#include <iterator>

int main() { 
    std::vector<int> v = { 3, 1, 4 }; 
    std::cout << std::size(v) << '\n';  
    int a[] = { -5, 10, 15 }; 
    std::cout << std::size(a) << '\n'; 

    // since C++20 the signed size (ssize) can avail 
    auto i = std::ssize(v); 
    for (--i; i != -1; --i) {     
        std::cout << v[i] << ' '; 
    } 
    std::cout << "\n" "i = " << i << '\n';
}

midpoint 函数计算中位数 #

lerp函数计算线性差值： #

constexpr double lerp( double a, double b, double t) noexcept { 
    return a + t * (b - a);
}

Ranges库：ranges库提供了用于处理元素范围的组件，包括各种视图适配器。 #

#include <ranges>
#include <iostream>

int main(){
    auto const ints = {0,1,2,3,4,5};
    auto even = [](int i) { return 0 == i % 2; };
    auto square = [](int i) { return i * i; };

    // "pipe" syntax of composing the views:
    for (int i : ints | std::views::filter(even) | std::views::transform(square)) {     
        std::cout << i << ' '; 
    }

    std::cout << '\n';

    // a traditional "functional" composing syntax:
    for (int i : std::views::transform(std::views::filter(ints, even), square)) {     
        std::cout << i << ' '; 
    }
}
输出：0 4 16
0 4 16

std::is_bounded_array：检查数组是不是有界 #

std::is_unbounded_array #

#include <iostream>
#include <type_traits>

class A {};

int main() {
    std::cout << std::boolalpha;
    std::cout << std::is_bounded_array_v<A> << '\n';
    std::cout << std::is_bounded_array_v<A[]> << '\n';
    std::cout << std::is_bounded_array_v<A[3]> << '\n';
    std::cout << std::is_bounded_array_v<float> << '\n';
    std::cout << std::is_bounded_array_v<int> << '\n';
    std::cout << std::is_bounded_array_v<int[]> << '\n';
    std::cout << std::is_bounded_array_v<int[3]> << '\n';
}

在numbers头文件中定义了一些数学常量： #

e
log2e
log10e
pi
inv_pi
inv_sqrtpi
ln2
ln10
sqrt2
sqrt3
inv_sqrt3
egamma
phi

贴一张cppreference的截图：

参考资料

https://en.cppreference.com/w/cpp/20