C++的新標準又雙叒叕要到來了，是的，C++20要來了！

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人參會）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了解。

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。

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么樣的，它們解決了什么問題。

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并且是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著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。

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，用于約束模版參數，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。

templateclassB{public:templatetypenamestd::enable_if_t::value,std::string>to_string()const{return"ClassB<>";}};Bb1;//OKstd::cout<b2;//OKstd::cout<

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。這里通過C++14的std::enableif_t來對T進行限定，但是長長的enableift看起來比較冗長繁瑣，頭重腳輕。來看看用Concepts怎么寫這個代碼的。

templateconceptCastableToString=requires(Ta){{a}->std::string;};templateclassD{public:std::stringto_string()constrequiresCastableToString{return"ClassD<>";}};

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還可以復用。

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。

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。為什么說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序列的技術細節，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。

那么Ranges到底是什么呢？Ranges是一個引用元素序列的對象，在概念上類似于一對迭代器。這意味著所有的STL容器都是Ranges。在Ranges里我們不再傳迭代器了，而是傳range。比如下面的代碼：

STL寫法：

std::vectorv{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::vectorv{1,2,3,4,5};std::vectorevent_numbers;std::copy_if(v.begin(),v.end(),std::back_inserter(event_numbers),[](inti){returni%2==0;});std::vectorresults;std::transform(event_numbers.begin(),event_numbers.end(),std::back_inserter(event_numbers),[](inti){returni*2;});for(intn:results){std::cout<

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寫起來還是有些冗長繁瑣，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。

autoresults=v|ranges::view::filter([](inti){returni%2==0;})|ranges::view::transform([](inti){returni*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，并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。

Modules

一直以來C++一直通過引用頭文件方式使用庫，而其他90年代以后的語言比如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，再也看不到頭文件了。

為什么C++20不再希望使用#include方式了？因為使用頭文件方式存在不少問題，比如有include很多模版的頭文件將大大增加編譯時間，代碼生成物也會變大。而且引用頭文件方式不利于做一些C++庫和組件的管理工具，尤其是對于一些云環境和分布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在程序中的結構如下圖：

上面的圖中，每個方框表示一個翻譯單元，存放在一個文件里并且可以被獨立編譯。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：

exportmodulemodule_name;modulemodule_name;

使用Modules：

importmodule_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：

importstd.vector;//#includeimportstd.string;//#includeimportstd.iostream;//#includeimportstd.iterator;//#includeintmain(){usingnamespacestd;vectorv={"Socrates","Plato","Descartes","Kant","Bacon"};copy(begin(v),end(v),ostream_iterator(cout," "));}

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。曾看到一個人說如果C++支持了Modules他就會從Java回歸到C++，也說明這個特性也是非常受關注和期待的。

Coroutines

很多語言提供了Coroutine機制，因為Coroutine可以大大簡化異步網絡程序的編寫，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，寫一個異步的網絡程序是不那么容易的，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，代碼比較復雜，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返回一個值并且掛起協程。

下面來看看如何使用它們。

寫一個lazy sequence：

generatorget_integers(intstart=0,intstep=1){for(intcurrent=start;current+=step)co_yieldcurrent;}for(auton:get_integers(0,5)){std::cout<

上面的例子每次調用get_integers，只返回一個整數，然后協程掛起，下次調用再返回一個整數，因此這個序列不是即時生成的，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程序的編寫的：

chardata[1024];for(;;){std::size_tn=co_awaitsocket.async_read_some(boost::asio::buffer(data),token);co_awaitasync_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，在異步完成之后恢復協程繼續執行，執行到async_write時又會掛起協程直到異步寫完成，異步寫完成之后繼續異步讀，如此循環。如果不用協程代碼會比較繁瑣，需要像這樣寫：

voiddo_read(){autoself(shared_from_this());socket_.async_read_some(boost::asio::buffer(data_,max_length),[this,self](boost::system::error_codeec,std::size_tlength){if(!ec){do_write(length);}});}voiddo_write(std::size_tlength){autoself(shared_from_this());boost::asio::async_write(socket_,boost::asio::buffer(data_,length),[this,self](boost::system::error_codeec,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程序的編寫。

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：比如做對象的序列化，把對象序列化為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，反射是應用程序中非常需要的基礎功能。現在C++終于要提供反射功能了，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社區開源的序列化引擎iguana，以及ORM庫ormpp，都是基于編譯期反射實現的。然后，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++終于要提供完備地編譯期反射功能了，為什么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于運行期反射。

那么，通過C++20的編譯期反射我們能得到什么呢？我們可以得到很多很多關于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：

structperson{intid;std::stringname;};usingMetaPerson=reflexpr(person);usingMembers=std::reflect::get_data_members_t;usingMetax=std::reflect::get_data_members_t;constexprboolis_public=std::reflect::is_public_v;usingField0=std::reflect::get_reflected_type_t;//int

上面的例子中，C++20新增關鍵字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序列，我們可以像訪問tuple一樣訪問這個序列，得到某一個字段的元數據之后我們就可以獲取它的具體信息了，比如它的具體類型是什么，它的字段名是什么，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，constexprstd::string等 ，這樣就可以像普通的C++程序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。

總結

Concepts讓C++的模版程序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，并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幫助我們簡化異步程序的編寫；

Reflection給我們提供強大的編譯期AST元數據查詢能力；

......

關于C++20的更多細節讀者可以在這里查看：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！

在此呼吁現在仍然還在使用著20年前的標準C++98的公司盡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！