C++20 Concepts: 让类型更安全、更简洁

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C++20 引入的 Concepts（概念）是一种强大的类型检查工具，它让编程语言在编译时就能对模板参数进行更细粒度的约束。与传统的 SFINAE 方式相比，Concepts 代码更加直观、可维护，并且能够生成更友好的错误信息。下面我们将从概念的基本语法、常用标准概念以及实际使用场景三方面进行阐述。

1. 概念的基本语法

概念本质上是一个布尔表达式，描述了类型需要满足的一系列要求。最常见的定义方式如下：

template<typename T>
concept Integral = std::is_integral_v <T>;

template<typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {
    { a + b } -> std::same_as <T>;
};
  • Integral：要求 T 为整数类型。可以直接使用 `std::is_integral_v ` 这一标准类型特性。
  • Addable：使用 requires 语句来描述表达式 a + b 的合法性，并且要求结果类型与 T 相同。

一旦定义好概念，就可以在函数或类模板的参数列表中使用：

template<Integral T>
T max(T a, T b) {
    return a > b ? a : b;
}

template<Addable T>
T sum(T a, T b) {
    return a + b;
}

如果调用 max 时传入非整数类型，编译器会给出“concept constraint not satisfied”的错误信息，而不是一堆冗长的 SFINAE 消息。

2. 常用标准概念

C++20 标准库已经提供了大量预定义的概念，涵盖了容器、迭代器、算术、可比较等类别。常用的概念包括：

概念 描述 示例
std::integral 整数类型 int, long
std::floating_point 浮点类型 float, double
std::same_as<T1, T2> 两个类型完全相同 std::same_as<int, int>
`std::equality_comparable
| 支持==|std::string`
`std::weakly_incrementable
| 迭代器可以前移 |std::vector::iterator`
`std::input_iterator
| 可读迭代器 |std::istream_iterator`

使用这些标准概念可以避免手动编写复杂的类型特性：

#include <concepts>

template<std::integral T>
T factorial(T n) {
    if (n <= 1) return 1;
    return n * factorial(n - 1);
}

3. 实际使用场景

3.1 约束算法实现

#include <vector>
#include <ranges>

template<std::weakly_incrementable Iter>
auto sum_range(Iter first, Iter last) {
    using T = std::iter_value_t <Iter>;
    T sum{};
    for (; first != last; ++first) {
        sum += *first;
    }
    return sum;
}

在此例中，sum_range 只要求迭代器满足 weakly_incrementable，不关心具体容器类型。调用时可直接传入 `std::vector

::iterator` 或 `std::list::iterator`。 ### 3.2 定义泛型容器 “`cpp template requires std::default_initializable && std::copy_constructible class SimpleStack { public: void push(const T& value) { data_.push_back(value); } T pop() { T val = data_.back(); data_.pop_back(); return val; } private: std::vector data_; }; “` 使用 `requires` 子句代替传统的 `typename = std::enable_if_t`，代码更简洁。 ### 3.3 更友好的错误信息 “`cpp template requires std::sentinel_for auto count_if(I first, I last, auto pred) { size_t count = 0; for (; first != last; ++first) { if (pred(*first)) ++count; } return count; } “` 如果传入的迭代器不满足 `sentinel_for`，编译器会直接指出“iterator and sentinel mismatch”，比传统 SFINAE 的“no matching function for call to ‘count_if’”更易定位。 ## 4. 结语 Concepts 为 C++ 模板提供了更明确、更可读的约束机制。它们不仅提升了代码安全性，还让错误信息更加友好。随着 C++20 及后续标准的推广，熟练掌握并合理使用 Concepts 将成为高质量 C++ 开发者的必备技能。

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