C++ 20 Concept 语法

2023-05-16

requires expression

一种表达式，它很像一个lambda表达式，一个未命名元函数。例如：

requires(int a,int b){ a+b;}

其中：（）部分是参数列表，{ }部分是需求列表。这个表达式是在编译期求值的，表达式的结果是true或者false。它的工作机制是：对于{ }内的若干条语句检查可行性，如果都能通过，则本条requires expression的值为true。在本例中，a+b；是提出了需求，即：有关两个int要求能相加。显然是满足的。则本例的表达式值为true。

int main(){
    static_assert( requires(int a,int b){ a+b;} );
}

这个静态断言，证明了此种表示式是编译期求值的特性。

int main(){
    static_assert( requires{ false; } );  //断言仍正确
}

上述语句，可以看出（）部分是可选的，因此可省略。{ }部分中false；这个表达式是可行的，记住我们不关心被检查的表达式的结果，只关心它是否可行。{ }中是列举需求的，我们有四种需求描述方法：1）简单需求 2）类型需求 3）复杂需求 4）嵌套需求。
前文的a+b就是个简单需求。另外一个简单需求例子：

int main(){
    static_assert( requires{ new int; } );  //OK
}

而当我们不但要检查表达式是否可行，还要检查表达式是否抛例外，需要用到复杂需求形式。可以像这样写：

int main(){
    static_assert( requires{ (new int) noexcept; );  //ERROR
}

显然，new int是抛例外的，我们却需求不跑例外，需求不满足，requires表达式求值为false，则静态断言失败。当我们需要表达式的值的类型符合某种要求时，这样写：

#include <type_traits>
int main(){
    static_assert( 
        requires{  {new int} -> std::same_as<int*>;  }  
   );
}

下一个是类型需求（Type Requirement）的例子

#include <vector>
int main(){
    static_assert( requires{ typename std::vector<int>::iterator; } );
}

类型需求的标志就是typename，平铺直叙，直截了当。我们看到std::vector<int>::iterator这个内嵌类型是存在的。
下一个例子：

#include <type_traits>
#include <vector>

int main(){
    static_assert( 
        requires(std::vector<int> v, int i){  
            v.at(i);  //Simple Requirement
            typename std::vector<int>::value_type;   //Type Requirement
            sizeof(int)==5;  //? 居然检查通过了
        }  
   );
}

看到sizeof(int)==5检查通过了，这是当然的，还记得Simple Requirements只检查表达式可行性? 如果要检查表达式的值，则需要使用Nest Requirements语法：

#include <type_traits>
#include <vector>

int main(){
    static_assert( 
        requires(std::vector<int> v, int i){  
            v.at(i);  //Simple Requirement
            typename std::vector<int>::value_type;   //Type Requirement
            requires (sizeof(int)==4);  //Nest Requirement
        }  
   );
}

requires clause

C++对关键字充分榨取价值，往往一个关键字在多个场合使用。此处使用的是需求从句场合。用于限定模板函数的类型参数。

template<typename T> 
requires true
T add(T a, T b) { 
    return a + b; 
}

基本原理是，requires 之后一个常量表达式，当此表达式为true时，模板函数被选用。requires true恒成立，相当于对T没有限制。clause表达式可以使用的操作数为：1）基本表达式

template<typename T> 
requires std::is_integral<T>::value  //基本表达式
T add(T a, T b) { 
    return a + b; 
}

什么是“基本表达式”（primary expression）? 文字量，标识符，fold表达式，还有requires表达式等，这些都是基本的。反例，2>1 就不是基本表达式，因为这个表达式可以分解为一个运算符> ,配合两个基本表达式1和2。所以：

template<typename T> 
requires 2>1   //语法错误
T add(T a, T b) { 
    return a + b; 
}

requires 2>1这个从句就是语法错误的。解决办法是加括号，括号内的是基本表达式。例如：

template<typename T> 
requires (2>1)  //括号括起来，作为一个整体的基本表达式
T add(T a, T b) { 
    return a + b; 
}

#include <type_traits>

template<typename... Args> 
requires (std::is_integral_v<Args> && ...)   //折叠表达式 fold expression
int add(Args... a) { 
    return (a + ...);
}

int main(){
    
    int a=1;
    short b=2;
    char c=3;
    
    return add(a,b,c);
}

template<typename T> 
requires requires(T a){ ++a; }  //require表达式
T add(T a) { 
    return ++a;
}

int main(){
    add(false);  //自C++17开始，bool型无++运算，因此触发constraint报警
}

requires从句的constraint表达式部分，可以用逻辑运算符把基本表达式组合起来，例如：

#include <type_traits>

template<typename T> 
requires std::is_integral_v<T> && ( sizeof(T)>=4 )
T add(T a) { 
    return ++a;
}

int main(){
    short v=1;  //因为short长度2字节，不符合>=4字节的这条限制，故触发报警
    add(v);
}

constraint-expression

此表达式的基本表达式必须是返回bool纯右值（true或false），这些基本表达式用逻辑运算符连接。往往这个表达式是泛型的，当它生存在模板类或模板函数定义上下文中，就会出现模板的类型参数。

concept

终于到达了这个高级概念。前面说了constraint-expression用于表达对于类型应该张什么样子的需求描述。现在我们把这个需求集合整理起来，给起一个名字。这个机制就是C++20的concept机制。concept就是类型需求说明书。

#include <type_traits>

template<typename T>
concept My_First_Type_Requirement_Specification =   //我的第一个类型需求规格说明书
    std::is_integral_v<T> &&   //第一条：必选是整形
    ( sizeof(T)>=4 ) &&        //第二条：类型尺寸不小于4
    requires(T a){ ++a; }      //第三条：类型支持自++运算符。
;

template<typename T> 
requires My_First_Type_Requirement_Specification<T>    //requires从句
T add(T a) { 
    return ++a;
}

int main(){
    short v=1;  //因为short长度2字节，不符合>=4字节的这条限制，故触发报警
    add(v);
}

concept可以看做可重用的元函数，我可以只在一处修改这个元函数，其它引用此元函数的地方都不必一一修改了。而requires表达式更像一个lambda表达式，用于ad-hoc用途（拉丁语：尽在此处使用），避免了先在很远的地方定义一个元函数，然后才能在使用的尴尬。

#include <type_traits>
#include <concepts> 

//std::integral<T>是C++20 concept库中定义的一个东西，目的是不要大家重复造轮子。
//即一个简单的：template < class T > concept integral = std::is_integral_v<T>;

//requires-clause中使用concept。把requires true，替换为requires std::integral<T>
template<typename T> 
requires std::integral<T>    //constaint-expression, 要求std::integral<T>实例化为true
T add(T a) { 
    return ++a;
}
 
//把concept放到typename位置，要求concept是一元的谓词元函数，即C<T>形式
template<std::integral T> 
T add(T a, T b) { 
    return a+b;
}

template<typename V,typename U>
concept binary_concept = true;

//ERROR: binary_concept是二元的谓词，不能这么写
template<binary_concept T> //binary_concept<T>,不符合binary_concept<V,U>
void add2(T a, T b) { 
    return a+b;
}

int main(){
    
    static_assert(std::integral<int>);//static_assert(true), 把true替换走
    
    //requires表达式中使用concept，就像表达式中调函数的意思。例如：(x + f(2))*10
    static_assert( requires(){ 
                      std::integral<int> ;  //调concept
                   } );
    
}

上面例子是concept一般可能出现的地方。

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