在现代C++中，概念（Concepts）为模板编程提供了一种简洁、可读且强类型的约束机制。通过在函数模板或类模板参数中声明概念，我们可以在编译时捕获错误，而不必等到实例化时才得到不友好的错误信息。下面我们以实现一个通用排序算法为例，展示如何利用概念保证参数类型满足迭代器、可比较等约束，并在运行时保持高性能。
1. 定义基本概念
首先，我们需要定义一些用于描述常见约束的概念。C++20自带的 `
` 头文件已经提供了 `std::input_iterator`, `std::output_iterator`, `std::weakly_incrementable` 等，但我们还可以自行扩展。 “`cpp #include #include namespace detail { // 判断两个值是否可比较 template concept Comparable = requires(T a, U b) { { a std::convertible_to; }; // 判断类型 T 是否满足迭代器概念 template concept Iterator = requires(T it) { { *it } -> std::common_reference_t ; { ++it } -> std::same_as; { it++ } -> std::same_as ; }; } // namespace detail “` ### 2. 使用概念约束排序函数 下面实现一个简单的冒泡排序，利用概念保证传入的迭代器可读写且元素可比较。 “`cpp #include #include #include #include // for std::swap #include template requires detail::Comparable<std::iter_value_t> void bubble_sort(It first, It last) { if (first == last) return; for (auto i = first; i != last; ++i) { for (auto j = first; j != last – 1; ++j) { if (*j > *(j + 1)) { std::swap(*j, *(j + 1)); } } } } “` > **说明** > – `detail::Iterator` 确保传入的参数满足迭代器要求。 > – `detail::Comparable<std::iter_value_t>` 进一步约束元素类型可进行 ` – `requires` 关键字将这些约束绑定到模板参数上，若不满足会在编译期直接报错。 ### 3. 更通用的排序接口 为了支持不同的排序策略，我们可以定义一个概念 `Sorter`，要求实现一个 `operator()` 接受两个迭代器。 “`cpp namespace detail { template concept Sorter = requires(T sorter, std::random_access_iterator auto first, std::random_access_iterator auto last) { sorter(first, last); }; } “` 然后实现几种具体排序器： “`cpp // 快速排序 struct quick_sorter { template requires detail::Comparable<std::iter_value_t> void operator()(It first, It last) const { if (first >= last) return; auto pivot = *(first + (last – first) / 2); It i = first, j = last; while (i <= j) { while (*i pivot) –j; if (i <= j) { std::swap(*i, *j); ++i; –j; } } if (first < j) operator()(first, j); if (i < last) operator()(i, last); } }; // 计数排序（仅适用于整数） struct counting_sorter { template requires std::integral<std::iter_value_t> void operator()(It first, It last) const { if (first == last) return; auto min_it = std::min_element(first, last); auto max_it = std::max_element(first, last); std::vector count(*max_it – *min_it + 1, 0); for (auto it = first; it != last; ++it) ++count[*it – *min_it]; auto it = first; for (size_t i = 0; i < count.size(); ++i) { while (count[i]–) { *it++ = static_cast<std::iter_value_t>(i + *min_it); } } } }; “` ### 4. 调用通用排序函数 “`cpp int main() { std::vector data = { 5, 3, 8, 4, 1, 7, 2, 6 }; quick_sorter qs; counting_sorter cs; qs(data.begin(), data.end() – 1); // 只对前 n-1 个元素排序 cs(data.begin(), data.end()); for (auto n : data) std::cout << n << ' '; } “` ### 5. 错误捕获示例 如果你尝试把 `std::string` 传给 `bubble_sort`，编译器会立即报错： “` error: no type named 'value_type' in 'detail::Iterator’ “` 这就避免了运行时的不可预知错误。 ### 6. 小结 – **概念**：提供了对模板参数的强类型约束，使错误在编译期被捕获。 – **可读性**：约束表达在函数签名中，阅读代码时即可知道需求。 – **可组合性**：可以将概念复用在多种算法或数据结构中，保持一致性。 – **性能**：概念本身不引入运行时成本，编译器通过约束信息生成更优的代码。 通过上述方法，你可以在 C++20 中轻松构建安全、可维护且高效的算法库，充分利用语言的新特性来提升代码质量。</std::iter_value_t</std::iter_value_t</std::iter_value_t</std::iter_value_t</std::iter_value_t