C++20新增内容

news2025/4/6 12:28:00

C++20 是 C++ 语言的一次重大更新，它引入了许多新特性，使代码更现代化、简洁且高效。以下是 C++20 的主要新增内容：

1. 概念（Concepts）

概念用于约束模板参数，使模板编程更加直观和安全。

#include <concepts>
#include <iostream>

template <std::integral T>  // 约束 T 必须是整数类型
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

int main() {
    std::cout << add(3, 4) << "\n"; // OK
    // std::cout << add(3.5, 4.2); // 编译错误：double 不是整数
}

2. 范围库（Ranges）

C++20 引入了 std::ranges 以更优雅地操作序列。

#include <ranges>
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
    for (int x : v | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; })) {
        std::cout << x << " ";  // 输出: 2 4
    }
}

3. 协程（Coroutines）

C++20 引入了协程，使得异步编程更加高效。

#include <coroutine>
#include <iostream>

struct Task {
    struct promise_type {
        Task get_return_object() { return {}; }
        std::suspend_never initial_suspend() { return {}; }
        std::suspend_never final_suspend() noexcept { return {}; }
        void return_void() {}
        void unhandled_exception() {}
    };
};

Task example() {
    std::cout << "Hello, ";
    co_await std::suspend_always{};
    std::cout << "World!\n";
}

int main() {
    example();  // 输出: Hello,
}

4. `std::span`（轻量级数组视图）

std::span 提供更安全和高效的数组访问方式，无需拷贝数据。

#include <span>
#include <iostream>

void print(std::span<int> s) {
    for (int n : s) std::cout << n << " ";
}

int main() {
    int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
    print(arr);  // 自动推导为 span
}

5. 三路比较运算符（`<=>`，Spaceship Operator）

引入三路比较运算符 operator<=>，简化比较运算符的定义。

#include <iostream>
#include <compare>

struct Point {
    int x, y;
    auto operator<=>(const Point&) const = default;  // 自动生成所有比较运算符
};

int main() {
    Point p1{1, 2}, p2{2, 3};
    std::cout << (p1 < p2) << "\n";  // 输出: 1 (true)
}

6. `constexpr` 关键字增强

C++20 允许 constexpr 函数包含 try-catch 语句和动态内存分配。

#include <vector>

constexpr int sum(const std::vector<int>& v) {
    int total = 0;
    for (int n : v) total += n;
    return total;
}

int main() {
    constexpr std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
    static_assert(sum(v) == 15);
}

7. 模块（Modules）

C++20 引入模块化机制，减少 #include 依赖，提高编译速度。

// mymodule.cpp
export module mymodule;
export int add(int a, int b) { return a + b; }

// main.cpp
import mymodule;
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << add(3, 4) << "\n";  // 输出: 7
}

8. `std::jthread`（自动管理的线程）

C++20 引入 std::jthread，在析构时自动 join() 线程，防止资源泄露。

#include <thread>
#include <iostream>

int main() {
    std::jthread t([] { std::cout << "Running in thread\n"; });
}  // `t` 自动 `join()`，无需手动管理

9. `std::bit_cast`（高效的类型转换）

std::bit_cast<T>(value) 用于无损转换 POD 类型，无额外开销。

#include <bit>
#include <iostream>

int main() {
    float f = 3.14f;
    int i = std::bit_cast<int>(f);
    std::cout << i << "\n";  // 按位转换，无额外开销
}

10. `std::format`（格式化字符串）

类似 printf 的格式化 API，但更安全。

#include <format>
#include <iostream>

int main() {
    std::cout << std::format("Hello, {}!", "world") << "\n";  // 输出: Hello, world!
}

11. `std::ranges::views::zip`（打包多个容器）

C++20 提供 std::ranges::views::zip 让多个容器同步迭代。

#include <ranges>
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> a = {1, 2, 3};
    std::vector<std::string> b = {"one", "two", "three"};

    for (auto [x, y] : std::views::zip(a, b)) {
        std::cout << x << " -> " << y << "\n";
    }
}

12. `std::stop_token`（线程取消机制）

C++20 引入 std::stop_token，用于安全地取消线程。

#include <iostream>
#include <thread>
#include <stop_token>

void task(std::stop_token st) {
    while (!st.stop_requested()) {
        std::cout << "Working...\n";
        std::this_thread::sleep_for(std::chrono::milliseconds(500));
    }
}

int main() {
    std::jthread t(task);
    std::this_thread::sleep_for(std::chrono::seconds(2));
    t.request_stop();  // 取消线程
}