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10分钟速览 C++20 新增特性
  • 新增标识符(Identifies)
  • 模块(Modules)
    • 优点
    • 创建模块
    • 引用模块
    • import 头文件
  • Ranges
    • 例子
  • 协程(Coroutines)
    • 什么是协程
    • 例子(VC++)
  • Concepts
    • 如何定义
    • 使用
    • 例子
  • Lambda 表达式的更新
    • [=, this] 需要显式捕获this变量
    • 模板形式的 Lambda 表达式
    • Lambda 表达式打包捕获(Pack Expansion)
  • 常量表达式(constexpr) 的更新
    • constexpr string & vector
  • 原子(Atomic)智能指针
    • 例子
  • 自动合流(Joining), 可中断(Cancellable) 的线程
    • 例子
  • C++20 同步(Synchronization)库
    • std::atomic_ref
  • 其他更新
    • 指定初始化(Designated Initializers)
    • 航天飞机操作符 <=>
    • 范围 for 循环语句支持初始化
    • 非类型模板形参支持字符串
    • [[likely]], [[unlikely]]
    • 日历(Calendar)和时区(Timezone)功能
    • std::span
    • 特性测试宏
    • consteval 函数
    • constinit
    • 用 using 引用 enum 类型
    • 格式化库(std::format)
    • 增加数学常量
    • std::source_location
    • [[nodiscard(reason)]]
    • 位运算
    • 一些小更新
  • 参考资料

新增关键字(keywords)

  • concept
  • requires
  • constinit
  • consteval
  • co_await
  • co_return
  • co_yield
  • char8_t

新增标识符(Identifies)

  • import
  • module

模块(Modules)

优点

  • 没有头文件
  • 声明实现仍然可分离, 但非必要
  • 可以显式指定那些导出(类, 函数等)
  • 不需要头文件重复引入宏 (include guards)
  • 模块之间名称可以相同不会冲突
  • 模块只处理一次, 编译更快 (头文件每次引入都需要处理)
  • 预处理宏只在模块内有效
  • 模块引入顺序无关紧要

创建模块

// cppcon.cpp 
export module cppcon; 
namespace CppCon { 
    auto GetWelcomeHelper() {  return "Welcome to CppCon 2019!";  } 
    export auto GetWelcome() { return GetWelcomeHelper();} 
}

引用模块

// main.cpp 
import cppcon; 
int main(){ 
    std::cout << CppCon::GetWelcome(); 
}

import 头文件

  • import
  • 隐式地将 iostream 转换为模块
  • 加速构建, 因为 iostream 只会处理一次
  • 和预编译头 (PCH) 具有相似的效果

Ranges

Ranges 是什么 ?

  • Range 代表一串元素, 或者一串元素中的一段
  • 类似 begin/end 对

好处:

  • 简化语法和方便使用
vector<int> data{11, 22, 33}; 
sort(begin(data), end(data)); 
sort(data); // 使用 Ranges
  • 防止 begin/end 不配对
  • 使变换/过滤等串联操作成为可能

相关功能

  • 视图(View): 延迟计算, 不持有, 不改写
  • Actions: 即时处理(eagerly evaluated), 改写
  • Algorithms: 所有接受 begin/end 对的算法都可用
  • Views 和 actions 使用管道符|串联

例子

  • 串联视图
vector<int> data {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}; 
auto result = data | 
              views::remove_if([](int i) { return i % 2 == 1;}) | 
              views::transform([](int i) { return to_string(i);}); 
// result = {"2", "4", "6", "8", "10" };
// 注意 以上操作被延迟, 当你遍历result的时候才触发
  • 串联actions
vector<int> data{4, 3, 4, 1, 8, 0, 8}; 
vector<int> result = data | actions::sort | actions::unique;
    • 排序然后去重
    • 操作会原地对data进行更改, 然后返回


  • 过滤和变换
int total = accumulate (
                        view::ints(1) | 
                        view::transform([](int i) {return i * i;}) | 
                        view::take(10), 
                        0);
    • view::ints(1) 产生一个无限的整型数列
    • 平方
    • 取前10个元素, 然后累加(accumulate)
      所有的计算延迟到accumulate累加遍历的时候发生

协程(Coroutines)

什么是协程

  • 它是一个函数
  • 具备如下关键字之一:
    • co_wait: 挂起协程, 等待其它计算完成
    • co_return: 从协程返回 (协程 return 禁止使用)
    • co_yield: 同 python yield, 弹出一个值, 挂起协程, 下一次调用继续协程的运行
    • for co_await 循环体
for co_await (for-range-declaration: expression) statement

用处

  • 简化如下问题的实现:
    • generator
    • 异步I/O
    • 延迟计算
    • 事件驱动的程序

例子(VC++)

experimental::generator<int> GetSequenceGenerator( 
    int startValue, 
    size_t numberOfValues) { 
    for (int i = 0 startValue; i < startValue + numberOfValues; ++i){ 
        time_t t = system_clock::to_time_t(system_clock::now()); 
        cout << std:: ctime(&t); co_yield i; 
    } 
} 
int main() {
    auto gen = GetSequenceGenerator(10, 5); 
    for (const auto& value : gen) { 
        cout << value << "(Press enter for next value)" << endl; 
        cin.ignore(); 
    } 
}

Concepts

  • 对模板类和函数的模板形参的约束
  • 编译期断言
  • 可声明多个

如何定义

template<typename T> concept Incrementable = requires(T x) {x++; ++x;};

使用

template<Incrementable T> 
void Foo(T t); 

template<typename T> requires Incrementable<T>
void Foo(T t);

template<typename T>
void Foo(T t) requires Incrementable<T>;

void Foo(Incrementable auto t);

例子

  • 具备size() 方法, 且返回size_t
template <typename T> concept HasSize = requires (T x){
{x.size()} -> std::convertible_to<std::size_t>;
};
  • 组合concept
template<typename T>
requires Incrementable<T> && Decrementable<T>
void Foo(T t);
// or
template<typename T>
concept Incr_Decrementable = Incrementable<T> && Decrementable<T>;

template<Incr_Decrementable T>
void Foo(T t);

Lambda 表达式的更新

[=, this] 需要显式捕获this变量

  • C++20 之前 [=] 隐式捕获this
  • C++20 开始 需要显式捕获this: [=, this]

模板形式的 Lambda 表达式

可以在lambda表达式中使用模板语法

[]template<T>(T x) {/* … /};
[]template<T>(T p) {/* … /};
[]template<T, int N>(T (&a)[N]) {/ … /};

原因1

  • C++20之前: 获取 vector 元素类型, 你需要这么写
auto func = [](auto vec){
using T = typename decltype(vec)::value_type;
}
  • C++20 你可以:
auto func = []<typename T>(vector<T> vec){
// …
}

原因2: 方便获取通用lambda形参类型, 访问静态函数

  • c++20 以前
auto func = [](auto const& x){
using T = std::decay_t<decltype(x)>;
T copy = x; T::static_function();
using Iterator = typename T::iterator;
}
  • C++20 开始
auto func = []<typename T>(const T& x){
T copy = x; T::static_function();
using Iterator = typename T::iterator;
}

原因3: 完美转发

  • pre C++20:
auto func = [](auto&& args) {
return foo(std::forward<decltype(args)>(args)…);
}
  • since C++20
auto func = []<typename T>(T&& args){
return foo(std::forward(args)…);
}

Lambda 表达式捕获支持打包展开(Pack Expansion)

  • Pre C++20
template<class F, classArgs>
auto delay_invoke(F f, Args args){
return [f, args…]{
return std::invoke(f, args…);
}
}
  • Since C++20
template<class F, classArgs>
auto delay_invoke(F f, Args args){
// Pack Expansion: args = std::move(args)…
return f = std::move(f), args = std::move(args)…{
return std::invoke(f, args…);
}
}

常量表达式(constexpr) 的更新

  • constexpr 虚函数
    • constexpr 的虚函数可以重写非 constexpr 的虚函数
    • constexpr 虚函数可以重写 constexpr 的虚函数
  • constexpr 函数可以:
    • 使用 dynamic_cast()typeid
    • 动态内存分配
    • 更改union成员的值
    • 包含 try/catch
      • 但是不允许 throw 语句
      • 在触发常量求值的时候 try/catch 不发生作用
      • 需要开启 constexpr std::vector

constexpr string & vector

  • std::stringstd::vector 类型现在可以作为 constexpr
  • 未来需要支持 constexpr 反射

原子(Atomic)智能指针

  • 智能指针(shared_ptr)线程安全吗?
    • : 引用计数控制单元线程安全, 保证对象只被释放一次
    • : 对于数据的读写没有线程安全
  • 如何将智能指针变成线程安全?
    • 使用 mutex 控制智能指针的访问
    • 使用全局非成员原子操作函数访问, 诸如: std::atomic_load(), atomic_store(), …
      • 缺点: 容易出错, 忘记使用这些操作
    • C++20: atomic>, atomic>
      • 内部原理可能使用了mutex
      • 全局非成员原子操作函数标记为不推荐使用(deprecated)

例子

template<typename T>
class concurrent_stack {
struct Node {
T t;
shared_ptr<Node> next;
};
atomic_shared_ptr<Node> head;
// C++11: 去掉 “atomic_” 并且在访问时, 需要用
// 特殊的函数控制线程安全, 例如用std::tomic_load
public:
class reference {
shared_ptr<Node> p;
<snip>
};
auto find(T t) const {
auto p = head.load(); // C++11: atomic_load(&head)
while (p && p->t != t)
p = p->next;
return reference(move(p));
}
auto front() const {
return reference(head);
}
void push_front(T t) {
auto p = make_shared<Node>();
p->t = t; p->next = head;
while (!head.compare_exchange_weak(p->next, p)){
} // C++11: atomic_compare_exchange_weak(&head, &p->next, p); }
void pop_front() {
auto p = head.load();
while (p && !head.compare_exchange_weak(p, p->next)) {
} // C++11: atomic_compare_exchange_weak(&head, &p, p->next);
}
};

例子来自 Herb Sutter 的 N4162 论文

自动合流(Joining), 可中断(Cancellable) 的线程

  • std::jthread
    • 头文件
    • 支持中断
    • 析构函数中自动 Join
      • 析构函数调用 stop_source.request_stop() 然后 join()
  • 中断线程执行
    • 头文件
    • std::stop_token
      • 用来查询线程是否中断
      • 可以和condition_variable_any配合使用
    • std::stop_source
      • 用来请求线程停止运行
      • stop_resources 和 stop_tokens 都可以查询到停止请求
    • std::stop_callback
      • 如果对应的stop_token 被要求终止, 将会触发回调函数
      • 用法: std::stop_callback myCallback(myStopToken, []{ / … / });

例子

  • 自动合流 Join
std::thread 在析构函数中如果线程 joinable() 会直接调用 std::terminate() 直接导致程序退出
void DoWorkPreCpp20() {
std::thread job([] { / … */ });
try {
// … Do something else …
} catch (…) {
job.join();
throw; // rethrow
}
job.join();
}

void DoWork() {
std::jthread job([] { /* … */ });
// … Do something else …
} // jthread destructor automatically calls join()

  • 中断
std::jthread job([](std::stop_token token) {
while (!token.stop_requested()) {
//…
}
});
//… job.request_stop();
// auto source = job.get_stop_source()
// auto token = job.get_stop_token()

C++20 同步(Synchronization)库

  • 信号量(Semaphore), 维基百科请走这里
    • 头文件
    • 轻量级的同步原语
    • 可用来实现任何其他同步概念, 如: mutex, latches, barriers, …
    • 两种类型:
      • 多元信号量(counting semaphore): 建模非负值资源计数
      • 二元信号量(binary semaphore): 只有一个插孔, 两种状态, 最适合实现mutex
  • std::atomic 等待和通知接口
    • 等待/阻塞在原子对象直到其值发生改变, 通过通知函数发送通知
    • 比轮训(polling)来的更高效
    • 方法
      • wait()
      • notify_one()
      • notify_all()
  • 锁存器(Latch)和屏障(Barrier)
    • 辅助线程条件同步
  • 锁存器(Latches)
    • 头文件
    • 线程的同步点
      • 线程将阻塞在这个位置, 直到到达的线程个数达标才放行, 放行之后不再关闭
    • 锁存器只会作用一次
  • 屏障(Barriers)
    • 多个阶段
    • 每个阶段中
      • 一个参与者运行至屏障点时被阻塞,需要等待其他参与者都到达屏障点, 当到达线程数达标之后
      • 阶段完成的回调将被执行
      • 线程计数器被重置
      • 开启下一阶段
      • 线程得以继续执行

std::atomic_ref

  • 头文件
  • Atomic 引用
  • 通过引用访问变为原子操作, 被引用对象可以为非原子类型

其他更新

指定初始化(Designated Initializers)

struct Data {
int anInt = 0;
std::string aString;
};
Data d{ .aString = “Hello” };

航天飞机操作符 <=>

  • 正规名称: 三路比较运算符
  • 三路比较结果如下
    • (a <=> b) < 0 // 如果 a < b 则为 true
    • (a <=> b) > 0 // 如果 a > b 则为 true
    • (a <=> b) == 0 // 如果 a 与 b 相等或者等价 则为 true
  • 类似于C的strcmp 函数返回-1, 0, 1
  • 一般情况: 自动生成所有的比较操作符, 如果对象是结构体则逐个比较, 可以用下面代码代替所有的比较运算符
    • auto X::operator<=>(const Y&) = default;
  • 高级情况: 指定返回类型(支持6种所有的比较运算符)
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示例:

class Point {
int x; int y;
public:
friend bool operator(const Point& a, const Point& b){
return a.xb.x && a.yb.y;
}
friend bool operator< (const Point& a, const Point& b){
return a.x < b.x || (a.x b.x && a.y < b.y);
}
friend bool operator!=(const Point& a, const Point& b) {
return !(a==b);
}
friend bool operator<=(const Point& a, const Point& b) {
return !(b<a);
}
friend bool operator> (const Point& a, const Point& b) {
return b<a;
}
friend bool operator>=(const Point& a, const Point& b) {
return !(a<b);
}
// … 其他非比较函数 …
};
#include
class Point {
int x; int y;
public:
auto operator<=>(const Point&) const = default; // 比较操作符自动生成
// … 其他非比较函数 …
};
  • 标准库类型支持 <=>
    • vector, string, map, set, sub_match, …
  • 例如:
转载:[10分钟速览 C++20 新增特性]_第2张图片

范围 for 循环语句支持初始化语句

  • switch 语句初始化 (C++17):
struct Foo {
int value; int result;
};
Foo GetData() {
return Foo();
}

int main() {
switch (auto data = GetData(); data.value) {
case 1:
return data.result;
}
}

  • if 语句初始化 (C++17):
struct Foo {
int value; int result;
};
Foo* GetData() {
return new Foo();
}

int main() {
if (auto data = GetData(); data) {
// Use 'data’
}
}

  • 现在范围 for 循环同样支持初始化 (C++20):
struct Foo {
std::vector<int> values;
};
Foo GetData() {
return Foo();
}
int main() {
for (auto data = GetData();
auto& value : data.values) {
// Use 'data’
}
}

非类型模板形参支持字符串

template<auto& s> void DoSomething() {
std::cout << s << std::endl;
}
int main() {
DoSomething<“CppCon”>();
}

[[likely]], [[unlikely]]

先验概率指导编译器优化

switch (value) {
case 1: break;
[[likely]] case 2: break;
[[unlikely]] case 3: break;
}

日历(Calendar)和时区(Timezone)功能

  • 增加日历和时区的支持
  • 只支持公历(Gregorian calendar)
    • 其他日历也可通过扩展加入, 并能和 进行交互
  • 初始化 年, 月 日的方法
// creating a year
auto y1 = year{ 2019 };
auto y2 = 2019y;
// creating a mouth
auto m1 = month{ 9 };
auto m2 = September;
// creating a day
auto d1 = day{ 18 };
auto d2 = 18d;
  • 创建完整的日期
year_mouth_day fulldate1{2019y, September, 18d};
auto fulldate2 = 2019y / September / 18d;
year_mouth_day fulldate3{Monday[3]/September/2019}; // Monday[3] 表示第三个星期一
  • 新的事件间隔单位, 类似于秒, 分钟, …
using days = duration<signed interger type of at least 25bits,
ratio_multiply<ratio<24>, hours::period>>;
using weeks = …; using mouths = …;
using years = …;
  • 例子
weeks w{1}; // 1 周
days d{w}; // 将 1 周 转换成天数
  • 新的时钟类型, (之前有 system_clock, steady_clock, high_resolution_clock):
    • utc_clock: represents Coordinated Universal Time (UTC), measures time since 00:00:00 UTC, Thursday, 1 January 1970, including leap seconds
    • tai_clock: represents International Atomic Time (TAI), measures time since 00:00:00, 1 January 1958, and was offseted 10 seconds ahead of UTC at that date, it does not include leap seconds
    • gps_clock: represents Global Positioning System (GPS) time, measures time since 00:00:00, 6 January 1980 UTC, it does not include leap seconds
    • file_clock: alias for the clock used for std::filesystem::file_time_type, epoch is unspecified
  • 新增system_clock相关的别名
template<class Duration>
using sys_time = std::chrono::time_point<std::chrono::system_clock, Duration>;
using sys_seconds = sys_time<std::chrono::seconds>;
using sys_days = sys_time<std::chrono::days>;
// 用例:
system_clock::time_point t = sys_days{ 2019y / September / 18d }; // date -> time_point
auto yearmonthday = year_month_day{ floor<days>(t) }; // time_point -> date
  • 日期 + 事件
auto t = sys_days{2019y/September/18d} + 9h + 35min + 10s; // 2019-09-18 09:35:10 UTC
  • 时区转换
// Convert UTC to Denver
time: zoned_time denver = { “America/Denver”, t };
// Construct a local time in Denver:
auto t = zoned_time{
“America/Denver”, local_days{Wednesday[3] / September / 2019} + 9h
};
// Get current local time:
auto t = zoned_time{ current_zone(), system_clock::now() };

std::span

  • 头文件
  • 某段连续数据的”视图”
  • 不持有数据, 不分配和销毁数据
  • 拷贝非常快, 推荐复制的方式传参(类似 string_view)
  • 不支持数据跨步(stride)
  • 可通过运行期确定长度也可编译器确定长度
int data[42]; span<int, 42> a {data}; // fixed-size: 42 ints
span<int> b {data}; // dynamic-size: 42 ints
span<int, 50> c {data}; // compilation error
span<int> d{ ptr, len }; // dynamic-size: len ints

特性测试宏

通过它可以判断编译器是否支持某个功能, 例如

  • 语言特性
    • __has_cpp_attribute(fallthrough)
    • __cpp_binary_literals
    • __cpp_char8_t
    • __cpp_coroutines
  • 标准库特性
    • __cpp_lib_concepts
    • __cpp_lib_ranges
    • __cpp_lib_scoped_lock

包含 C++ 标准库版本, 发布日期, 版权证书, 特性宏等

consteval 函数

constexpr 函数可能编译期执行, 也可以在运行期执行, consteval 只能在编译器执行, 如果不满足要求编译不通过

constinit

强制指定以常量方式初始化

const char GetStringDyn() {
return “dynamic init”;
}
constexpr const char GetString(bool constInit) {
return constInit ?
“constant init” :
GetStringDyn();
}
constinit const char a = GetString(true); // ✔
constinit const char b = GetString(false); // ❌

using 引用 enum 类型

enum class CardTypeSuit {
Clubs,
Diamonds,
Hearts,
Spades
};
std::string_view GetString(const CardTypeSuit cardTypeSuit) {
switch (cardTypeSuit) {
case CardTypeSuit::Clubs:
return “Clubs”;
case CardTypeSuit::Diamonds:
return “Diamonds”;
case CardTypeSuit::Hearts:
return “Hearts”;
case CardTypeSuit::Spades:
return “Spades”;
}
}
std::string_view GetString(const CardTypeSuit cardTypeSuit) {
switch (cardTypeSuit) {
using enum CardTypeSuit; // 这里
case Clubs: return “Clubs”;
case Diamonds: return “Diamonds”;
case Hearts: return “Hearts”;
case Spades: return “Spades”;
}
}

格式化库(std::format)

不展开, 类似Python 的格式化,

std::string s = std::format(“Hello CppCon {}!”, 2019);

增加数学常量

再也不用为 M_PI 发愁啦

  • 头文件
  • 包含 e, log2e, log10e pi, inv_pi, inv_sqrt pi ln2, ln10 sqrt2, sqrt3, inv_sqrt3 egamma

std::source_location

用于获取代码位置, 对于日志和错误信息尤其有用

[[nodiscard(reason)]]

表明返回值不可抛弃, 加入理由的支持

[[nodiscard(“Ignoring the return value will result in memory leaks.”)]]
void GetData() { / … */ }

位运算

加入循环移位, 计数0和1位等功能

一些小更新

  • 字符串支持 starts_with, ends_with
  • map 支持 contains 查询是否存在某个键
  • list 和 forward list 的 remove, remove_if 和 unique 操作返回 size_type 表明删除个数
  • 增加 shift_left, shift_right
  • midpoint 计算中位数, 可避免溢出
  • lerp 线性插值 lerp( float a, float b, float t ) 返回
  • 新的向量化策略 unsequenced_policy(execution::unseq)
std::string str = “Hello world!”;
bool b = str.starts_with(“Hello”); // starts_with, ends_with
std::map myMap{ std::pair{1, "one"s}, {2, "two"s}, {3, "three"s} };
bool result = myMap.contains(2); // contains, 再也不用 .find() == .end() 了

你可能感兴趣的:(C++20)