【C++知识点】C++20 常用新特性总结

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C++20 新特性

模块

从 C 语言中，C++ 继承了 #include 机制，依赖从头文件使用文本形式包含 C++ 源代码，这些头文件中包含了接口的文本定义。一个流行的头文件可以在大型程序的各个单独编译的部分中被 #include 数百次。基本问题是：

(1) 不够卫生：一个头文件中的代码可能会影响同一翻译单元中包含的另一个 #include 中的代码的含义，因此 #include 并非顺序无关。宏是这里的一个主要问题，尽管不是唯一的问题。

(2) 分离编译的不一致性：两个翻译单元中同一实体的声明可能不一致，但并非所有此类错误都被编译器或链接器捕获。

(3) 编译次数过多：从源代码文本编译接口比较慢。从源代码文本反复地编译同一份接口非常慢。

所以，在 C++ 程序中改进模块化是一个迫切的需求。

#include 
int main() {
    std::cout << "Hello, C++!" << std::endl;
}

这段标准代码有 70 个左右的字符，但是在 #include 之后，它会产生 419909 个字符需要编译器来消化。尽管现代 C++ 编译器已有傲人的处理速度，但模块化问题已经迫在眉睫。

模块化是什么意思？顺序独立性：import X; import Y; 应该与 import Y; import X; 相同。

换句话说，任何东西都不能隐式地从一个模块“泄漏”到另一个模块。

这是 #include 文件的一个关键问题。

#include 中的任何内容都会影响所有后续的 #include。

顺序独立性是“代码卫生”和性能的关键。

C++ 20 中正式引入了模块的概念，模块是一个用于在翻译单元间分享声明和定义的语言特性。它们可以在某些地方替代使用头文件。

其主要优点如下：

1. 没有头文件。

2. 声明实现仍然可分离，但非必要。

3. 可以显式指定导出哪些类或函数。

4. 不需要头文件重复引入宏（include guards）。

5. 模块之间名称可以相同，并且不会冲突。

6. 模块只处理一次，编译更快（头文件每次引入都需要处理，需要通过 pragma once 约束）。

7. 预处理宏只在模块内有效。

8. 模块的引入与引入顺序无关。

创建模块

源文件->添加->新建项->Module

创建 ***.ixx 文件

//创建模块 
// mymodule.ixx //模块名和文件名没有强制要求，一般会相同
export module helloworld; //模块声明
import ; //导入声明 注意；号
export void hello() { //导出声明
    std::cout << "Hello world!\n";
}

//导入模块
//main.cpp
import helloworld; //导入声明
int main() {
    hello();
}

协程

协程就是一个可以挂起（suspend）和恢复（resume）的函数（不能是 main 函数）。你可以暂停协程的执行， 去做其他事情，然后在适当的时候恢复到暂停的位置继续执行。协程让我们使用同步方式写异步代码。

C++ 提供了三个方法挂起协程：co_await， co_yield 和 co_return。

C++20 协程只是提供协程机制，而不是提供协程库。C++20 的协程是无栈协程，无栈协程是一个可以挂起/恢复的特殊函数，是函数调用的泛化，且只能被线程调用，本身并不抢占内核调度。

C++20 提供了三个新关键字(co_await、co_yield 和 co_return)，如果一个函数中存在这三个关键字之一，那么它就是一个协程。

co_yield some_value：保存当前协程的执行状态并挂起，返回 some_value 给调用者。

co_await some_awaitable：如果 some_awaitable 没有 ready，就保存当前协程的执行状态并挂起。

co_return some_value：彻底结束当前协程，返回 some_value 给协程调用者。

<=> 三向比较运算符

也叫三路比较运算符，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)

int num1 = 100, num2 = 100;
if ((num1 <=> num2) < 0) {
    cout << "num1 < num2" << endl;
}
else if ((num1 <=> num2) > 0) {
    cout << "num1 > num2" << endl;
}
else {
    cout << "num1 = num2" << endl;
}

范围 ranges

范围库始于 Eric Niebler 对 STL 序列观念的推广和现代化的工作。它提供了更易于使用、更通用及性能更好的标准库算法。

例如，C++20 标准库为整个容器的操作提供了期待已久的更简单的表示方法。

void func1(vector<string>& s) {
    sort(s); //而不是 sort(vs.begin(), vs.end());
}

举个例子：

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
int main()
{
    auto ints = views::iota(0, 10);//生成0-9
    auto even = [](int i) { return 0 == i % 2; };
    auto square = [](int i) { return i * i; };
    for (int i : ints | views::filter(even) | views::transform(square))
        cout << i << ' ';
    return 0;
}

日期和时区

日期库是日期库是多年工作和实际使用的结果,它基于 chrono 标准库的时间支持。在 2018 年，它进入了 C++20，并和旧的时间工具一起放在中。

#include 
#include 
using namespace std;
using namespace std::chrono;
int main()
{
    //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;
    year_month_day date1{ 2022y,July, 21d };
    auto date2 = 2022y / July / 21d;
    chrono::year_month_day date3{ Monday[3] / July / 2022 };
    cout << date1 << endl;
    cout << date2 << endl;
    cout << date3 << endl;
    return 0;
}

格式化

iostream 库提供了类型安全的 I/O 的扩展，但是它的格式化工具比较弱。

另外，还有的人不喜欢使用 << 分隔输出值的方式。

格式化库提供了一种类 printf 的方式去组装字符串和格式化输出值，同时这种方法类型安全、快捷，并能和 iostream 协同工作。

类型中带有 << 运算符的可以在一个格式化的字符串中输出。

string s1 = "C++";
cout << format("The string '{}' has {} characters", s1, s1.size());
cout << format("The string '{0}' has {1} characters", s1, s1.size()) << endl;
cout << format("The string '{1}' has {0} characters", s1.size(), s1) << endl;

跨度

越界访问，有时也称为缓冲区溢出，从 C 的时代以来就一直是一个 严重的问题。考虑下面的例子：

void func1(int* p, int n) { //n是什么？
    for (int i = 0; i < n; ++i) {
        p[i] = 7; //是否可行？
    }
}

span 类模板就这样被放到 C++ 核心指南的支持库中。

void func(span<int> a) { //span包含一个指针和一条大小信息
    for (int& x : a) {
        x = 7; //可以
    }
}

范围 for 从跨度中提取范围，并准确地遍历正确数量的元素（无需代价高昂的范围检查）。这个例子说明了一个适当的抽象可以同时简化写法并提升性能。对于算法来说，相较于挨个检查每一个访问的元素，明确地使用一个范围（比如 span）要容易得多，开销也更低。

并发

std::promise

std::promise 和 std::future 是一对，通过它们可以进行更加灵活的任务控制。

promise 通过函数 set_value() 传入一个值，异常，或者通知，并异步的获取结果。

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
void product(promise<int>&& intPromise, int v1, int v2) {
    intPromise.set_value(v1 * v2);
}
int main() {
    int num1 = 200;
    int num2 = 300;
    promise<int> productPromise;
    future<int> productResult = productPromise.get_future();
    jthread productThread(product, move(productPromise), num1, num2);
    cout << format("product is {}\n", productResult.get());
}

std::future

• 从 promise 获取值
• 询问值是否可用
• 等待通知
• 创建 shared_future

std::future_status

调用后 wait_for 或者 wait_until 返回的结果。

enum class future_status
{
    ready, //成功
    timeout, //超时
    deferred //延迟
};

案例

#include 
#include 
#include 
using namespace std;
void getAnswer(promise<int> intPromise)
{
    this_thread::sleep_for(2s);
    intPromise.set_value(100);
}
int main()
{
    promise<int> answerPromise;
    auto fut = answerPromise.get_future();
    jthread productThread(getAnswer, move(answerPromise));
    future_status status{};
    do
    {
        status = fut.wait_for(0.5s);
        cout << "结果未准备完成 " << endl;
    } while (status != future_status::ready);
    cout << format("answer is {}\n ", fut.get());
}