c++怎么使用C++20的Concepts_c++20概念系统(Concepts)的语法与应用

C++20的Concepts通过定义类型约束提升模板编程的可读性和错误提示清晰度。使用concept关键字和requires表达式可创建自定义约束，如Addable要求支持加法操作；标准库提供std::integral等常用Concept；可用于函数和类模板参数限制，并支持基于约束的重载，使编译错误更明确，代码更易维护。

C++20 的 Concepts 是一个强大的泛型编程工具，它允许你在编译期对模板参数施加约束，从而提升代码的可读性、可维护性和错误提示的清晰度。过去我们写模板时，如果传入了不合适的类型，编译错误往往是一长串难以理解的模板展开信息。而 Concepts 能让这些错误变得直观明了。

什么是 Concepts？

Concepts 是一种用于限制模板参数类型的机制。你可以把它看作“类型的要求清单”——只有满足这些要求的类型才能被用作模板实参。

例如，你希望某个函数模板只接受支持加法操作的类型（比如 int、double），就可以定义一个 Concept 来表达这个条件。

基本语法：如何定义和使用 Concept

示例：定义一个支持加法的类型约束

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template
concept Addable = requires(T a, T b) {
    a + b; // 检查是否能执行 a + b
};

然后在模板中使用：

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

现在调用 add(1, 2) 没问题，但如果你传入一个不支持 + 的类或指针类型，编译器会明确告诉你：“该类型不满足 Addable Concept”。

requires 表达式的几种形式

requires 是构建 Concept 的核心，它可以检查多种语义：

• 简单要求（Simple requirement）：只要表达式合法即可

requires(T t) { t++; }

• 复合要求（Compound requirement）：用花括号包裹，并可指定 noexcept 和返回类型

requires(T t) { { t++ } noexcept -> std::same_as; }

• 类型要求（Type requirement）：检查某个类型是否存在

template
concept HasValueType = requires {
    typename T::value_type; // 要求 T 有嵌套类型 value_type
};

• 常量要求（Constant requirement）：直接判断一个布尔值

concept Even = (4 % 2 == 0); // 总为 true，仅作演示

在函数模板中的应用

除了上面的 写法，还有其他方式使用 Concept：

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• 使用 requires 子句

template
T multiply(T a, T b) requires requires(T t){ t * t; }
{
    return a * b;
}

• 结合 auto 使用（C++20 简化写法）

auto add(Addable auto a, Addable auto b) {
    return a + b;
}

这等价于：

template
auto add(T a, U b) { ... }

标准库中的常用 Concept

C++20 标准库在 头文件中提供了许多预定义的 Concept，可以直接使用：

• std::integral：整型类型（int, char, bool 等）
• std::floating_point：浮点类型（float, double）
• std::default_constructible：可默认构造
• std::copyable：可复制
• std::equality_comparable：支持 == 和 !=

例子：只接受整数的函数

#include 
void process(std::integral auto value) {
// 只能传入整型
}

在类模板中使用 Concept

也可以用来约束类模板参数：

template
requires std::integral
class Wrapper {
    T data;
public:
    Wrapper(T d) : data(d) {}
};

或者更简洁地：

template
class Wrapper { ... };

优势与实际意义

• 更好的编译错误信息：不再是一堆模板推导失败的堆栈，而是“你的类型不满足 XXX Concept”
• 提高接口清晰度：从函数签名就能看出对类型的期望
• 支持重载基于 Concept：可以根据不同的 Concept 提供多个函数版本

示例：根据 Concept 重载函数

void print(auto x) {
    std::cout << "任意类型: " << x << '\n';
}
void print(std::integral auto x) {
std::cout << "整数: " << x << '\n';
}
void print(std::floating_point auto x) {
std::cout << "浮点数: " << x << '\n';
}

调用 print(42) 会匹配整数版本，print(3.14) 匹配浮点版本。

基本上就这些。Concepts 让模板编程从“靠运气通过编译”变成“有明确契约的类型系统”，是现代 C++ 泛型编程的重要进步。刚开始可能觉得 requires 写法有点复杂，但一旦掌握，你会觉得没有 Concepts 的模板很难再回头用了。