原文详见：C++20: Two Extremes and the Rescue with Concepts

我们在上一篇文章中完成了 C++20 的概览。现在，是时候来探究一下细节了。有什么比概念更适合作为起点呢？

必须承认：我本人就是一个铁杆的概念粉。那么，就让我们从一个刺激的例子开始吧！

两个极端

在 C++20 之前，我们有两种完全不同的方式来考虑函数或类：可以在具体类型或泛型类型上定义函数或类。在第二种情况下，我们称它们为函数模板或类模板。那么，每种方法都有什么问题呢?

太过具体

为每个特定类型定义一个函数或类是一项相当艰巨的工作。为了避免这种负担，类型转换常常会来拯救我们，然而，这种拯救往往也是一种诅咒。

// tooSpecific.cpp
#include <iostream>

void needInt(int i)
{
    std::cout << "int: " << i << std::endl;
}

int main()
{   
    std::cout << std::boolalpha << std::endl;

    double d{1.234};                             // (1)N
    std::cout << "double: " << d << std::endl;
    needInt(d);                                  // (2)            
    
    std::cout << std::endl;
    
    bool b{true};                                // (3)
    std::cout << "bool: " << b << std::endl;
    needInt(b);                                  // (4)
    
    std::cout << std::endl; 
}

在第一种情况下(第 1 行)，我以 double 开头，以 int 结尾(第 2 行)。在第二种情况下，我以 bool 开始(第 3 行)，也以 int 结束(第 4 行)。

缩窄转换

使用 double 去调用 getInt(int a) 可以会触发缩窄转换。缩窄转换是指准确性下降的转换。我认为这不是你想要的。

整体提升

但是相反的情况也不好。使用 bool 去调用getInt(int a) 会将 bool 提升为 int。震惊！许多 C++ 开发者竟然不知道 bool 类型相加中时会得到哪种类型。

template <typename T>
auto add(T first, T second){
    return first + second;
}

int main(){
    add(true, false);
}

C++ Insights 里告诉了你真相。

函数模板 add 的特化版本使用 int 创建了完整的返回类型(第 6 - 12 行)。

我坚信，为了方便起见，C/C++ 中需要有种神奇的转换来处理函数只接受特定类型这一事实。

那么，让我们反过来做。不写针对具体类型的代码，而写是通用的。也许，用模板编写通用代码就是我们的救命稻草。

太过通用

这是我的第一次尝试。排序是一个通用的算法。如果容器中的元素是可排序的，则排序就应该应适用于每个容器。那就让我们将 std::sort 应用于 std::list 。

// sortList.cpp
#include <algorithm>
#include <list>

int main()
{
    std::list<int> myList{1, 10, 3, 2, 5};
    
    std::sort(myList.begin(), myList.end());  
}

哇偶！当我试着去编译这段小程序得到了什么？！

我不想去解读这些错误消息。到底哪里出问题了？让我们仔细看一下所使用的 std::sort 的重载签名。

template< class RandomIt >
void sort( RandomIt first, RandomIt last );

std::sort 使用了一些奇怪的参数，比如 RandomIt。RandomIt 代表一个随机访问迭代器。这就是出现大量错误消息的原因，模板因此而声名狼藉。std::list 只提供了一个双向迭代器，但是 std:sort 需要一个随机访问迭代器。std::list 的结构使这一点更加显而易见。

当你仔细研究 cppreference.com 页面上有关 std::sort 的文档时，你会发现一些非常有趣的东西：std::sort 对类型的要求。

概念的救赎

概念是救星，因为他对模板参数施加了语义约束。
以下是 std::sort 提到的类型要求：

• RandomIt 必须满足值可交换 (ValueSwappable) 和 遗留随机访问迭代器 (LegacyRandomAccessIterator) 的要求。
• 解引用 RandomIt 结果的类型必须满足可移动赋值 (MoveAssignable) 和可移动构造 (MoveConstructible) 的要求。
• Compare 必须满足比较 (Compare) 的要求。

std::sort 上的类型要求就是概念。关于概念的简短介绍，请阅读我之前的文章 C++20：四大件。特别地，std::sort 需要一个遗留随机访问迭代器。我稍微修改了一下来自 cppreference.com 上的示例，以让我们来仔细看看这个概念。

template<typename It>
concept LegacyRandomAccessIterator =
  LegacyBidirectionalIterator<It> &&        // (1)
  std::totally_ordered<It> &&
  requires(It i, typename std::incrementable_traits<It>::difference_type n) {
    { i += n } -> std::same_as<It&>;        // (2)
    { i -= n } -> std::same_as<It&>;
    { i +  n } -> std::same_as<It>;
    { n +  i } -> std::same_as<It>;
    { i -  n } -> std::same_as<It>;
    { i -  i } -> std::same_as<decltype(n)>;
    {  i[n]  } -> std::convertible_to<std::iter_reference_t<It>>;
  };

这就是关键所在。如果它支持概念LegacyRandomAccessIterator(第 2 行)和所有其他要求，那么它就支持这个概念。例如，第 2 行中的要求表示类型为 It: {i += n} 的值是一个有效的表达式，它返回一个 i&。总的来说就是，std::list 支持一个 LegacyBidirectionalIterator。

不容置疑，这一节的技术性很强。我们来试试。有了概念，你可以期待一个简洁的错误信息，如以下:

当然，这个错误消息是假的，因为还没有编译器实现了 C++20 语法的概念。MSVC 19.23 部分地支持它们，GCC 上是概念的一个以前的版本。cppreference.com 提供了概念当前状态的更多细节。

我提到过 GCC 支持旧版本的概念吗?

概念：从历史中走来

我第一次听说概念是在 2005 年到 2006 年之间。这让我想起了 Haskell 类型的类。Haskell 中的类型类是类似类型的接口。下面是 Haskell 类型类层次结构的一部分。

但是，C++ 的概念与之不同：

• 在 Haskell 中，类型必须是类型类的实例。在C++ 20 中，类型必须满足概念的要求。
• 概念可以用在模板的非类型参数上。例如，像 5 这样的数字是非类型参数。当你想要一个包含 5 个元素的 std::array 时，你可以使用非类型的参数 5：std::array<int, 5> myArray。
• 概念不会增加运行时开销

最初，概念应该是 C++11 的关键特性，但是在 2009 年 7 月于法兰克福举行的标准化会议上，它被删除了。引用 Bjarne Stroustrup 的话是：“C++ 0x 的概念设计演变成了一个复杂的怪物。”几年后，第二次尝试也不成功：C++17 标准中删除了概念。最中，它们终于成了 C++ 20 的一部分。

接下来？

不出所料，我的下一篇文章还是关于概念的。我会举很多例子，来说明模板参数的语义约束是什么意思。