C++20 中的概念：如何使用约束模板参数

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在 C++20 里，概念（Concepts）引入了一种更安全、更易读的方式来约束模板参数。概念让我们可以在函数模板、类模板或类成员函数中指定参数必须满足的性质，从而在编译时进行更精确的检查，避免因模板实例化时错误的参数导致的模糊错误信息。本文将通过实例演示如何定义和使用概念，解析其背后的机制，并展示常见的实用技巧。

1. 概念的基础语法

概念本质上是一个函数签名加上约束表达式，示例：

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

这里 Integral 只是一个命名，等价于以下可读性更好的写法：

template<typename T>
concept Integral = requires(T t) {
    { std::is_integral_v <T> } -> std::same_as<bool>;
};
  • requires 后面可以是一个列表或一个更复杂的约束。
  • -> 用来指定表达式的返回类型约束。
  • 约束表达式可以是逻辑组合（&&、||、!）或任意有效的 C++ 表达式。

2. 约束模板参数

2.1 函数模板约束

template<Integral T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

当调用 add(1, 2) 时，Integral 成立；但 add(1.2, 2.3) 会导致编译错误，错误信息指明 Integral 不满足。

2.2 类模板约束

template<Integral T>
class Array {
public:
    Array(T size) : data(new int[size]) {}
    ~Array() { delete[] data; }
private:
    int* data;
};

只有当传入的类型满足 Integral 时，Array 才能实例化。

3. 组合与别名

使用 &&、|| 可以组合多个概念：

template<typename T>
concept SignedIntegral = Integral <T> && std::is_signed_v<T>;

template<typename T>
concept UnsignedIntegral = Integral <T> && std::is_unsigned_v<T>;

此外，可以使用 requires 直接在函数内部约束：

template<typename T>
auto safeDivide(T a, T b) requires Integral <T> {
    if (b == 0) throw std::runtime_error("divide by zero");
    return a / b;
}

4. 约束在模板偏特化中的应用

template<typename T, typename = void>
struct hasBegin : std::false_type {};

template<typename T>
struct hasBegin<T, std::void_t<decltype(std::begin(std::declval<T&>()))>>
    : std::true_type {};

template<typename T>
concept Iterable = hasBegin <T>::value;

template<Iterable T>
void printAll(const T& container) {
    for (auto& item : container)
        std::cout << item << ' ';
}

在这里，Iterable 用来检查一个类型是否提供 begin/end，进而仅在可迭代容器上启用 printAll。

5. 与 SFINAE 的比较

SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）曾是约束模板参数的主要手段，但错误信息往往难以理解。概念直接在模板签名里声明约束，编译器会在满足与否时给出明确错误提示，阅读体验大幅提升。

6. 常见实践技巧

  1. 使用标准库概念：C++20 标准库提供了 std::integral, std::floating_point, std::same_as, std::derived_from 等，直接复用可以减少重复劳动。
  2. 为公共约束创建别名：在大型项目中，可以在 concepts.hpp 里集中管理常用概念，便于维护。
  3. 尽量让约束表达式无副作用：requires 里不应包含会修改状态的操作，否则可能导致实例化时副作用。
  4. 与类型擦除配合：可以将概念与 std::any 或 std::variant 结合，实现更灵活的多态。

7. 结语

概念是 C++20 为模板元编程提供的强大工具。它们让模板参数的约束显得更清晰、错误信息更友好，并且与标准库的类型特性无缝配合。掌握概念后，模板代码将更加安全、可读性更好。希望本文的示例能帮助你在实际项目中快速上手，并逐步取代传统的 SFINAE 方案。祝编码愉快！

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