C++20 要來了!

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C++的新標準又雙叒叕要到來了,是的,C++20要來了!

C++20 要來了!
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圖片來源:udemy.com

幾周前,C++標準委會歷史上規模最大的一次會議(180人蔘會)在美國San Diego召開,這次的會議上討論確定哪些特性要加入到C++20中,哪些特性可能加入到C++20中。在明年二月份的會議當中將正式確定所有的C++20特性。

這次會議討論的提案也是非常之多,達到了創紀錄的274份,C++20的新特性如果要一一列出的話將是一份長長的清單,因此本文將只評論大部分確定要加入和可能加入到C++20的重要特性,讓讀者對C++的未來和演進趨勢有一個基本的瞭解。

C++20中可能增加哪些重要特性,下面這個圖可以提供一個參考。

C++20 要來了!
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下面是本文將評論的將進入和可能進入C++20的重要特性:

  • Concepts

  • Ranges

  • Modules

  • Coroutines

  • Reflection

接下來讓我們慢慢揭開C++20的面紗,看看這些特性到底是什麼樣的,它們解決了什麼問題。

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Concepts

在談Concepts之前我想先介紹一下Concepts提出的背景和原因。眾所周知,因為C++的模版和模版元具備非常強大的泛型抽象能力並且是zero overhead,所以模版在C++中備受推崇,大獲成功,在各種C++庫( 如STL )中被廣泛使用。

然而,模版編程還存在一些問題,比如有些模版的代碼寫起來比較困難,讀起來比較難懂,尤其是編譯出錯的時候,那些糟糕的讓人摸不着頭腦的錯誤提示讓人頭疼。因此,C++之父Bjarne Stroustrup很早就希望對模版做一些改進,讓C++的模版編程變得簡單好寫,錯誤提示更明確。他早在1987年就開始做這方面的嘗試了。

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C++之父Bjarne Stroustrup

具體思路就是給模版參數加一些約束,這些約束相比之前的寫法具有更強的表達能力和可讀性,會簡化C++的泛型模版代碼的編寫。

所以Concepts的出現主要是為了簡化泛型編程,一個Concept就是一個編譯期判斷,用於約束模版參數,Concepts則是這些編譯期判斷的合集。下面通過一個例子來展示Concepts是如何簡化模版編程的。

    template<typename T>
    class B {
    public:
      template<typename ToString = T>
      typename std::enable_if_t<std::is_convertible<ToString, std::string>::value, std::string>
      to_string() const {
        return "Class B<>";
      }
    };

    B<size_t> b1;                             // OK
    std::cout << b1.to_string() << std::endl; // Compile ERROR!

    B<std::string> b2;                        // OK
    std::cout << b2.to_string() << std::endl; // OK!

比如有這樣一個類B,我們調用它的成員函數tostring時,對T類型進行限定,即限定T類型是std::string的可轉換類型,這樣做的目的是為了更安全,能在編譯期就能檢查錯誤。這裏通過C++14的std::enableif_t來對T進行限定,但是長長的enableift看起來比較宂長繁瑣,頭重腳輕。來看看用Concepts怎麼寫這個代碼的。

    template<typename T>
    concept CastableToString = requires(T a) {
      { a } -> std::string;
    };

    template<typename T>
    class D {
    public:
      std::string to_string() const requires CastableToString<T> {
        return "Class D<>";
      }
    };

可以看到,requires CastableToString比之前長長的enableift要簡潔不少,代碼可讀性也更好,CastableToString就是一個Concept,一個限定T為能被轉換為std::string類型的Concept,通過requires相連接,語義上也更明確了,而且這個Concept還可以複用。

Concepts的這個語法也可能在最終的C++20中有少許不同,有可能還會變得更簡潔,現在語法有幾個候選版本,還沒最終投票確定。

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Ranges

相比STL,Ranges是更高一層的抽象,Ranges對STL做了改進,它是STL的下一代。為什麼説Ranges是STL的未來?雖然STL在C++中提供的容器和算法備受推崇和廣泛被使用,但STL一直存在兩個問題:

  • STL強制你必須傳一個begin和end迭代器用來遍歷一個容器;

  • STL算法不方便組合在一起。

STL必須傳迭代器,這個迭代器僅僅是輔助你完成遍歷串行的技術細節,和我們的函數功能無關,大部分時候我們需要的是一個range,代表的是一個比迭代器更高層的抽象。

那麼Ranges到底是什麼呢?Ranges是一個引用元素串行的對象,在概念上類似於一對迭代器。這意味着所有的STL容器都是Ranges。在Ranges裏我們不再傳迭代器了,而是傳range。比如下面的代碼:

STL寫法:

    std::vector<int> v{1, 2};
    std::sort(v.begin(), v.end());

Ranges寫法:

    std::sort(v);

STL有時候不方便將一些算法組合在一起,來看一個例子:

    std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5};

    std::vector<int> event_numbers;
    std::copy_if(v.begin(), v.end(), std::back_inserter(event_numbers), [](int i){ return i % 2 == 0;});

    std::vector<int> results;
    std::transform(event_numbers.begin(), event_numbers.end(), std::back_inserter(event_numbers), [](int i){ return i * 2;});

    for(int n : results){
        std::cout<<n<<' ';
    }
    //最終會輸出 4 8

上面這個例子希望得到vector中的偶數乘以2的結果,需求很簡單,但是用STL寫起來還是有些宂長繁瑣,中間還定義了兩個臨時變量。如果用Ranges來實現這個需求,代碼就會簡單得多。

    auto results = v | ranges::view::filter([](int i){ return i % 2 == 0; })
                     | ranges::view::transform([](int i){ return i * 2; });

用Concetps我們可以很方便地將算法組合在一起,寫法更簡單,語義更清晰,並且還可以實現延遲計算避免了中間的臨時變量,性能也會更好。

Concepts從設計上改進了之前STL的兩個問題,讓我們的容器和算法變得更加簡單好用,還容易組合。

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Modules

一直以來C++一直通過引用頭文檔方式使用庫,而其他90年代以後的語言比如Java、C#、Go等語言都是通過import包的方式來使用庫。現在C++決定改變這種情況了,在C++20中將引入Modules,它和Java、Go等語言的包的概念是類似的,直接通過import包來使用庫,再也看不到頭文檔了。

為什麼C++20不再希望使用#include方式了?因為使用頭文檔方式存在不少問題,比如有include很多模版的頭文檔將大大增加編譯時間,代碼生成物也會變大。而且引用頭文檔方式不利於做一些C++庫和組件的管理工具,尤其是對於一些雲環境和分佈式環境下不方便管理,C++一直缺一個包管理工具,這也是C++被吐槽得很多的地方,現在C++20 Modules將改變這一切。

Modules在進程中的結構如下圖:

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上面的圖中,每個方框表示一個翻譯單元,存放在一個文檔裏並且可以被獨立編譯。每個Module由Module接口和實現組成,接口只有一份,實現可以有多份。

Modules接口和實現的語法:

    export module module_name;

    module module_name;

使用Modules:

    import module_name;

Modules允許你導出類,函數,變量,常量和模版等等。

接下來看一個使用Modules的例子:

    import std.vector; // #include <vector>
    import std.string; // #include <string>
    import std.iostream; // #include <iostream>
    import std.iterator; // #include <iterator >
    int main() {
        using namespace std;
        vector<string> v = {
            "Socrates", "Plato", "Descartes", "Kant", "Bacon"
        };
        copy(begin(v), end(v), ostream_iterator<string>(cout, "\n"));
    }

可以看到不用再include了,直接去import需要用到的Modules即可,是不是有種似曾相識的感覺呢。曾看到一個人説如果C++支持了Modules他就會從Java迴歸到C++,也説明這個特性也是非常受關注和期待的。

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Coroutines

很多語言提供了Coroutine機制,因為Coroutine可以大大簡化異步網絡進程的編寫,現在C++20中也要加入協程了(樂觀估計C++20加入,悲觀估計在C++23中加入)。

如果不用協程,寫一個異步的網絡進程是不那麼容易的,以boost.asio的異步網絡編程為例,我們需要注意的地方很多,比如異步事件完成的回調函數中需要保證調用對象仍然存在,如何構建異步回調鏈條等等,代碼比較複雜,而且出了問題也不容易調試。而協程給我們提供了對異步編程優雅而高效的抽象,讓異步編程變得簡單!

C++ Courotines中增加了三個新的關鍵字:co_await,co_yield和co_return,如果一個函數體中有這三個關鍵字之一就變成Coroutine了。

co_await用來掛起和恢復一個協程,co_return用來返回協程的結果,co_yield返回一個值並且掛起協程。

下面來看看如何使用它們。

寫一個lazy sequence:

    generator<int> get_integers( int start=0, int step=1 ) {
      for (int current=start; current+= step)
        co_yield current;
    }

    for(auto n : get_integers(0, 5)){
      std::cout<<n<<" ";
    }
    std::cout<<'\n';

上面的例子每次調用get_integers,只返回一個整數,然後協程掛起,下次調用再返回一個整數,因此這個串行不是即時生成的,而是延遲生成的。

接下來再看一下co_wait是如何簡化異步網絡進程的編寫的:

    char data[1024];
    for (;;)
    {
      std::size_t n = co_await socket.async_read_some(boost::asio::buffer(data), token);
      co_await async_write(socket, boost::asio::buffer(data, n), token);
    }

這個例子僅僅用了四行代碼就完成了異步的echo,非常簡潔!co_await會在異步讀完成之前掛起協程,在異步完成之後恢復協程繼續執行,執行到async_write時又會掛起協程直到異步寫完成,異步寫完成之後繼續異步讀,如此循環。如果不用協程代碼會比較繁瑣,需要像這樣寫:

    void do_read()
    {
      auto self(shared_from_this());
      socket_.async_read_some(boost::asio::buffer(data_, max_length),
        [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t length)
         {
           if (!ec)
           {
             do_write(length);
           }
         });
      }

    void do_write(std::size_t length)
    {
      auto self(shared_from_this());
      boost::asio::async_write(socket_, boost::asio::buffer(data_, length),
        [this, self](boost::system::error_code ec, std::size_t /*length*/)
        {
          if (!ec)
          {
            do_read();
          }
        });
    }

可以看到,不使用協程來寫異步代碼的話,需要構建異步的回調鏈,需要保持異步回調的安全性等等。而使用協程可以大大簡化異步網絡進程的編寫。

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Reflection

C++中一直缺少反射功能,其他很多語言如Java、C#都具備運行期反射功能。反射可以用來做很多事情:比如做對象的串行化,把對象串行化為JSON、XML等格式,以及ORM中的實體映射,還有RPC遠程過程(方法)調用等,反射是應用進程中非常需要的基礎功能。現在C++終於要提供反射功能了,C++20中可會將反射作為實驗庫,在C++23中正式加入到標準中。

在反射還沒有進入到C++標準之前,有很多人做了一些編譯期反射的庫,比如purecpp社區開源的串行化引擎iguana,以及ORM庫ormpp,都是基於編譯期反射實現的。然後,非語言層面支持的反射庫存在種種不足之處,比如在實現上需要大量使用模版元和宏、不能訪問私有成員等問題。

現在C++終於要提供完備地編譯期反射功能了,為什麼是編譯期反射而不是像其它語言一樣提供運行期反射,因為C++的一個重要設計哲學就是zero-overhead,編譯期反射效率遠高於運行期反射。

那麼,通過C++20的編譯期反射我們能得到什麼呢?我們可以得到很多很多關於類型和對象的元信息,主要有:

  • 獲取對象類型或枚舉類型的成員變量,成員函數的類型;

  • 獲取類型和成員的名稱;

  • 獲取成員變量是靜態的還是constexpr;

  • 獲取方法是virtual、public、protect還是private;

  • 獲取類型定義時的源代碼所在的行和列。

所以C++20的反射其實是提供了一些可以編譯期向編譯器查詢目標類型“元數據”的API,下面來看看C++20的反射用法:

    struct person{
        int id;
        std::string name;
    };

    using MetaPerson = reflexpr(person);
    using Members = std::reflect::get_data_members_t<MetaPerson>;

    using Metax = std::reflect::get_data_members_t<Members>;
    constexpr bool is_public = std::reflect::is_public_v<Metax>;

    using Field0 = std::reflect::get_reflected_type_t<Metax>;// int

上面的例子中,C++20添加關鍵字reflexpr返回的是person的元數據類型,接下來我們就可以查詢這個元數據類型了,std::reflect::getdatamembers_t返回的是對象成員的元數據串行,我們可以像訪問tuple一樣訪問這個串行,得到某一個字段的元數據之後我們就可以獲取它的具體信息了,比如它的具體類型是什麼,它的字段名是什麼,它是公有還是私有的等等。

注意:C++20的反射語法還沒有最終確定,這只是一種候選的語法實現,還有一種沒有元編程的語法版本,該版本通過編譯期容器和字符串來存放元數據,比如constexpr std::vector,constexpr std::map, constexpr  std::string等 ,這樣就可以像普通的C++進程那樣來操作元數據了,用起來可能更簡單。

C++20的編譯期反射實際上提供了一些編譯期查詢AST信息的接口,功能完備而強大。

C++20 要來了!
C++20 要來了!

總結

  • Concepts讓C++的模版進程的編寫變得更簡單和容易理解;

  • Ranges讓我們使用STL容器和算法更加簡單,並且更容易組合算法及延遲計算;

  • Modules幫助我們大大加快編譯速度,同時彌補了C++使用庫和缺乏包管理的缺陷;

  • Coroutines幫助我們簡化異步進程的編寫;

  • Reflection給我們提供強大的編譯期AST元數據查詢能力;

  • ......

關於C++20的更多細節讀者可以在這裏查看:http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2018/。

總而言之,C++的新標準都是為了讓C++變得更簡單、更完善、更強大、更易學和使用,這也是C++之父希望未來C++演進的一個方向和目標。

C++20,一言以蔽之:Newer is Better!

在此呼籲現在仍然還在使用着20年前的標準C++98的公司儘早升級到最新的標準,跟上時代的發展,新標準意味這生產力和質量的提升,越早使用越早享受其帶來的好處!

作者簡介: 祁宇,modern c++開源社區purecpp.org創始人,《深入應用C++11》作者,開源庫cinatra、feather作者,熱愛開源,熱愛modern C++。樂於研究和分享技術,多次在國際C++大會(cppcon)做演講。

致謝:感謝purecpp社區的朋友:袁秩昊,吳詠煒和張軼對本文部分內容的review。

參考資料:

  • http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2018/

  • https://isocpp.org/blog/2016/02/a-bit-of-background-for-concepts-and-cpp17-bjarne-stroustrup

  • https://www.reddit.com/r/cpp/comments/9vwvbz/2018sandiegoisoccommitteetripreportranges/

  • https://herbsutter.com/2018/11/13/trip-report-fall-iso-c-standards-meeting-san-diego/

  • http://www.jakubkonka.com/2017/09/02/type-traits-cpp.html

  • http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2014/n4128.html

  • https://arne-mertz.de/2017/01/ranges-stl-next-level/

  • https://www.fluentcpp.com/2018/02/09/introduction-ranges-library/

  • http://wg21.link/p1103

  • https://medium.com/@wrongway4you/brief-article-on-c-modules-f58287a6c64

  • https://www.codeproject.com/Articles/1214398/Modules-for-Modern-Cplusplus

  • https://lewissbaker.github.io/2017/11/17/understanding-operator-co-await

  • https://lewissbaker.github.io/2017/09/25/coroutine-theory

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