Overview of C++23 Features

教育科技 2023-01-10 17:37 英国

新年伊始，要说什么选题最合适，那无疑是C++23了。

去年只写过Ranges和几个小特性的提案，对于其他特性，就全放在此篇一览究竟。

23是个小版本，主要在于「完善」二字，而非「新增」。因此，值得单独拿出来写篇文章的特性其实并不多，大多特性都是些琐碎小点，三言两语便可讲清。

本篇包含绝大多数C++23特性，难度三星就表示只会介绍基本用法，但有些特性的原理也会深入讲讲。

1 Deducing this（P0847）

Deducing this是C++23中最主要的特性之一。msvc在去年3月份就已支持该特性，可以在v19.32之后的版本使用。

为什么我们需要这个特性？

大家知道，成员函数都有一个隐式对象参数，对于非静态成员函数，这个隐式对象参数就是this指针；而对于静态成员函数，这个隐式对象参数被定义为可以匹配任何参数，这仅仅是为了保证重载决议可以正常运行。

Deducing this所做的事就是提供一种将非静态成员函数的「隐式对象参数」变为「显式对象参数」的方式。为何只针对非静态成员函数呢？因为静态成员函数并没有this指针，隐式对象参数并不能和this指针划等号，静态函数拥有隐式对象参数只是保证重载决议能够正常运行而已，这个参数没有其他用处。

于是，现在便有两种写法编写非静态成员函数。

1struct S_implicit {
2    void foo() {}
3};
4
5struct S_explicit {
6    void foo(this S_explicit&) {}
7};

通过Deducing this，可以将隐式对象参数显式地写出来，语法为this+type。

该提案最根本的动机是消除成员函数修饰所带来的冗余，举个例子：

 1// Before
 2struct S_implicit {
 3    int data_;
 4
 5    int& foo() & { return data_; }
 6    const int& foo() const& { return data_; }
 7};
 8
 9// After
10struct S_explicit {
11    int data_;
12
13    template <class Self>
14    auto&& foo(this Self& self) {
15        return std::forward<Self>(self).data_;
16    }
17};

原本你也许得为同一个成员函数编写各种版本的修饰，比如&, const&, &&, const &&，其逻辑并无太大变化，完全是重复的机械式操作。如今借助Deducing this，你只需编写一个版本即可。

这里使用了模板形式的参数，通常来说，建议是使用Self作为显式对象参数的名称，顾名思义的同时又能和其他语言保持一致性。

该特性还有许多使用场景，同时也是一种新的定制点表示方式。

比如，借助Deducing this，可以实现递归Lambdas。

1int main() {
2    auto gcd = [](this auto self, int a, int b) -> int {
3        return b == 0 ? a : self(b, a % b);
4    };
5
6    std::cout << gcd(20, 30) << "\n";
7}

这使得Lambda函数再次得到增强。

又比如，借助Deducing this，可以简化CRTP。

 1//// Before
 2// CRTP
 3template <class Derived>
 4struct Base {
 5    void foo() {
 6        auto& self = *static_cast<Derived*>(this);
 7        self.bar();
 8    }
 9};
10
11struct Derived : Base<Derived> {
12    void bar() const {
13        std::cout << "CRTP Derived\n";
14    }
15};
16
17////////////////////////////////////////////
18//// After
19// Deducing this
20struct Base {
21    template <class Self>
22    void foo(this Self& self) {
23        self.bar();
24    }
25};
26
27struct Derived : Base {
28    void bar() const {
29        std::cout << "Deducing this Derived\n";
30    }
31};

这种新的方式实现CRTP，可以省去CR，甚至是T，要更加自然，更加清晰。

这也是一种新的定制点方式，稍微举个简单点的例子：

 1// Library
 2namespace mylib {
 3
 4    struct S {
 5        auto abstract_interface(this auto& self, int param) {
 6            self.concrete_algo1(self.concrete_algo2(param));
 7        }
 8    };
 9} // namespace mylib
10
11namespace userspace {
12    struct M : mylib::S {
13        auto concrete_algo1(int val) {}
14        auto concrete_algo2(int val) const {
15            return val * 6;
16        }
17    };
18} // namespace userspace
19
20int main() {
21    using userspace::M;
22    M m;
23    m.abstract_interface(4);
24}

这种方式依旧属于静态多态的方式，但代码更加清晰、无侵入，并支持显式opt-in，是一种值得使用的方式。

定制点并非一个简单的概念，若是看不懂以上例子，跳过便是。（也可参考使用Concepts表示变化「定制点」）

下面再来看其他的使用场景。

Deducing this还可以用来解决根据closure类型完美转发Lambda捕获参数的问题。

亦即，如果Lambda函数的类型为左值，那么捕获的参数就以左值转发；如果为右值，那么就以右值转发。下面是一个例子：

 1#include <iostream>
 2#include <type_traits>
 3#include <utility> // for std::forward_like
 4
 5auto get_message() {
 6    return 42;
 7}
 8
 9struct Scheduler {
10    auto submit(auto&& m) {
11        std::cout << std::boolalpha;
12        std::cout << std::is_lvalue_reference<decltype(m)>::value << "\n";
13        std::cout << std::is_rvalue_reference<decltype(m)>::value << "\n";
14        return m;
15    }
16};
17
18int main() {
19    Scheduler scheduler;
20    auto callback = [m=get_message(), &scheduler](this auto&& self) -> bool {
21        return scheduler.submit(std::forward_like<decltype(self)>(m));
22    };
23    callback(); // retry(callback)
24    std::move(callback)(); // try-or-fail(rvalue)
25}
26
27// Output:
28// true
29// false
30// false
31// true

若是没有Deducing this，那么将无法简单地完成这个操作。

另一个用处是可以将this以值形式传递，对于小对象来说，可以提高性能。

一个例子：

 1struct S {
 2    int data_;
 3    int foo(); // implicit this pointer
 4    // int foo(this S); // Pass this by value
 5};
 6
 7int main() {
 8    S s{42};
 9    return s.foo();
10}
11
12// implicit this pointer生成的汇编代码：
13// sub     rsp, 40                             ; 00000028H
14// lea     rcx, QWORD PTR s$[rsp]
15// mov     DWORD PTR s$[rsp], 42               ; 0000002aH
16// call    int S::foo(void)                    ; S::foo
17// add     rsp, 40                             ; 00000028H
18// ret     0
19
20// Pass this by value生成的汇编代码：
21// mov     ecx, 42                             ; 0000002aH
22// jmp     static int S::foo(this S)           ; S::foo

对于隐式的this指针，生成的汇编代码需要先分配栈空间，保存this指针到rcx寄存器中，再将42赋值到data_中，然后调用foo()，最后平栈。

而以值形式传递this，则无需那些操作，因为值传递的this不会影响s变量，中间的步骤都可以被优化掉，也不再需要分配和平栈操作，所以可以直接将42保存到寄存器当中，再jmp到foo()处执行。

Deducing this是个单独就可写篇四五星难度文章的特性，用处很多，值得深入探索的地方也很多，所以即便是概述这部分也写得比较多。

2 Monadic std::optional（P0798R8）

P0798提议为std::optional增加三个新的成员：map(), and_then()和or_else()。

功能分别为：

map：对optional的值应用一个函数，返回optional中wrapped的结果。若是optional中没有值，返回一个空的optional；
and_then：组合使用返回optional的函数；
or_else：若是有值，返回optional；若是无值，则调用传入的函数，在此可以处理错误。

在R2中map()被重命名为transform()，因此实际新增的三个函数为transform()，and_then()和or_else()。

这些函数主要是避免手动检查optional值是否有效，比如：

1// Before
2if (opt_string) {
3   std::optional<int> i = stoi(*opt_string);
4}
5
6// After
7std::optional<int> i = opt_string.and_then(stoi);

一个使用的小例子：

1// chain a series of functions until there's an error
2std::optional<string> opt_string("10");
3std::optional<int> i = opt_string
4                        .and_then(std::stoi)
5                        .transform([](auto i) { return i * 2; });

错误的情况：

1// fails, transform not called, j == nullopt
2std::optional<std::string> opt_string_bad("abcd");
3std::optional<int> j = opt_string_bad
4                        .and_then(std::stoi)
5                        .transform([](auto i) { return i * 2; });

目前GCC 12，Clang 14，MSVC v19.32已经支持该特性。

3 std::expected（P0323）

该特性用于解决错误处理的问题，增加了一个新的头文件<expected>。

错误处理的逻辑关系为条件关系，若正确，则执行A逻辑；若失败，则执行B逻辑，并需要知道确切的错误信息，才能对症下药。

当前的常用方式是通过错误码或异常，但使用起来还是多有不便。

std::expected<T, E>表示期望，算是std::variant和std::optional的结合，它要么保留T（期望的类型），要么保留E（错误的类型），它的接口又和std::optional相似。

一个简单的例子：

 1enum class Status : uint8_t {
 2    Ok,
 3    connection_error,
 4    no_authority,
 5    format_error,
 6};
 7
 8bool connected() {
 9    return true;
10}
11
12bool has_authority() {
13    return false;
14}
15
16bool format() {
17    return false;
18}
19
20std::expected<std::string, Status> read_data() {
21    if (!connected())
22        return std::unexpected<Status> { Status::connection_error };
23    if (!has_authority())
24        return std::unexpected<Status> { Status::no_authority };
25    if (!format())
26        return std::unexpected<Status> { Status::format_error };
27
28    return {"my expected type"};
29 }
30
31
32int main() {
33    auto result = read_data();
34    if (result) {
35        std::cout << result.value() << "\n";
36    } else {
37        std::cout << "error code: " << (int)result.error() << "\n"; 
38    }
39}

这种方式无疑会简化错误处理的操作。

该特性目前在GCC 12，Clang 16（还未发布），MSVC v19.33已经实现。

4 Multidimensional Arrays（P2128）

这个特性用于访问多维数组，之前C++ operator[]只支持访问单个下标，无法访问多维数组。

因此要访问多维数组，以前的方式是：

重载operator()，于是能够以m(1, 2)来访问第1行第2个元素。但这种方式容易和函数调用产生混淆；
重载operator[]，并以std::initializer_list作为参数，然后便能以m[{1, 2}]来访问元素。但这种方式看着别扭。
链式链接operator[]，然后就能够以m[1][2]来访问元素。同样，看着别扭至极。
定义一个at()成员，然后通过at(1, 2)访问元素。同样不方便。

感谢该提案，在C++23，我们终于可以通过m[1, 2]这种方式来访问多维数组。

一个例子：

 1template <class T, size_t R, size_t C>
 2struct matrix {
 3    T& operator[](const size_t r, const size_t c) noexcept {
 4        return data_[r * C + c];
 5    }
 6
 7    const T& operator[](const size_t r, const size_t c) const noexcept {
 8        return data_[r * C + c];
 9    }
10
11private:
12    std::array<T, R * C> data_;
13};
14
15
16int main() {
17    matrix<int, 2, 2> m;
18    m[0, 0] = 0;
19    m[0, 1] = 1;
20    m[1, 0] = 2;
21    m[1, 1] = 3;
22
23    for (auto i = 0; i < 2; ++i) {
24        for (auto j = 0; j < 2; ++j) {
25            std::cout << m[i, j] << ' ';
26        }
27        std::cout << std::endl;
28    }
29}

该特性目前在GCC 12和Clang 15以上版本已经支持。

5 if consteval（P1938）

该特性是关于immediate function的，即consteval function。

解决的问题其实很简单，在C++20，consteval function可以调用constexpr function，而反过来却不行。

 1consteval auto bar(int m) {
 2    return m * 6;
 3}
 4
 5constexpr auto foo(int m) {
 6    return bar(m);
 7}
 8
 9
10int main() {
11    [[maybe_unused]] auto res = foo(42);
12}

以上代码无法编译通过，因为constexpr functiong不是强保证执行于编译期，在其中自然无法调用consteval function。

但是，即便加上if std::is_constant_evaluated()也无法编译成功。

1constexpr auto foo(int m) {
2    if (std::is_constant_evaluated()) {
3        return bar(m);
4    }
5    return 42;
6}

这就存在问题了，P1938通过if consteval修复了这个问题。在C++23，可以这样写：

1constexpr auto foo(int m) {
2    if consteval {
3        return bar(m);
4    }
5    return 42;
6}

该特性目前在GCC 12和Clang 14以上版本已经实现。

6 Formatted Output（P2093）

该提案就是std::print()，之前已经说过，这里再简单地说下。

标准cout的设计非常糟糕，具体表现在：

可用性差，基本没有格式化能力；
会多次调用格式化I/0函数；
默认会同步标准C，性能低；
内容由参数交替组成，在多线程环境，内容会错乱显示；
二进制占用空间大；
……

随着Formatting Library加入C++20，已在fmt库中使用多年的fmt::print()加入标准也是顺理成章。

格式化输出的目标是要满足：可用性、Unicode编码支持、良好的性能，与较小的二进制占用空间。为了不影响现有代码，该特性专门加了一个新的头文件<print>，包含两个主要函数：

1#include <print>
2
3int main() {
4    const char* world = "world";
5    std::print("Hello {}", world);   // doesn't print a newline
6    std::println("Hello {}", world); // print a newline
7}

这对cout来说绝对是暴击，std::print的易用性和性能简直完爆它。

其语法就是Formatting Library的格式化语法，可参考Using C++20 Formatting Library。

性能对比：

----------------------------------------------------------
Benchmark                Time             CPU   Iterations
----------------------------------------------------------
printf                87.0 ns         86.9 ns      7834009
ostream                255 ns          255 ns      2746434
print                 78.4 ns         78.3 ns      9095989
print_cout            89.4 ns         89.4 ns      7702973
print_cout_sync       91.5 ns         91.4 ns      7903889

结果显示，printf与print几乎要比cout快三倍，print默认会打印到stdout。当打印到cout并同步标准C的流时（print_cout_sync），print大概要快14%；当不同步标准C的流时（print_cout），依旧要快不少。

遗憾的是，该特性目前没有编译器支持。

7 Formatting Ranges（P2286）

同样属于Formatting大家族，该提案使得我们能够格式化输出Ranges。

也就是说，我们能够写出这样的代码：

import std;

auto main() -> int {
    std::vector vec { 1, 2, 3 };
    std::print("{}\n", vec); // Output: [1, 2, 3]
}

这意味着再也不用迭代来输出Ranges了。

这是非常有必要的，考虑一个简单的需求：文本分割。

Python的实现：

1print("how you doing".split(" "))
2
3# Output:
4# ['how', 'you', 'doing']

Java的实现：

 1import java.util.Arrays;
 2
 3class Main {
 4  public static void main(String args[]) {
 5    System.out.println("how you doing".split(" "));
 6    System.out.println(Arrays.toString("how you doing".split(" ")));
 7  }
 8}
 9
10// Output:
11// [Ljava.lang.String;@2b2fa4f7
12// [how, you, doing]

Rust的实现：

 1use itertools::Itertools;
 2
 3fn main() {
 4    println!("{:?}", "How you doing".split(' '));
 5    println!("[{}]", "How you doing".split(' ').format(", "));
 6    println!("{:?}", "How you doing".split(' ').collect::<Vec<_>>());
 7}
 8
 9// Output:
10// Split(SplitInternal { start: 0, end: 13, matcher: CharSearcher { haystack: "How you doing", finger: 0, finger_back: 13, needle: ' ', utf8_size: 1, utf8_encoded: [32, 0, 0, 0] }, allow_trailing_empty: true, finished: false })
11// [How, you, doing]
12// ["How", "you", "doing"]

JS的实现：

1console.log('How you doing'.split(' '))
2
3// Output:
4// ["How", "you", "doing"]

Go的实现：

 1package main
 2import "fmt"
 3import "strings"
 4
 5func main() {
 6    fmt.Println(strings.Split("How you doing", " "));
 7}
 8
 9// Output:
10// [How you doing]

Kotlin的实现：

1fun main() {
2    println("How you doing".split(" "));
3}
4
5// Output:
6// [How, you, doing]

C++的实现：

 1int main() {
 2    std::string_view contents {"How you doing"};
 3
 4    auto words = contents
 5                | std::views::split(' ')
 6                | std::views::transform([](auto&& str) {
 7                    return std::string_view(&*str.begin(), std::ranges::distance(str)); 
 8                });
 9
10    std::cout << "[";
11    char const* delim = "";
12    for (auto word : words) {
13        std::cout << delim;
14
15        std::cout << std::quoted(word);
16        delim = ", ";
17    }
18    std::cout << "]\n";
19}
20
21// Output:
22// ["How", "you", "doing"]

借助fmt，可以简化代码：

 1int main() {
 2    std::string_view contents {"How you doing"};
 3
 4    auto words = contents
 5                | std::views::split(' ')
 6                | std::views::transform([](auto&& str) {
 7                    return std::string_view(&*str.begin(), std::ranges::distance(str)); 
 8                });
 9
10    fmt::print("{}\n", words); 
11    fmt::print("<<{}>>", fmt::join(words, "--"));
12
13}
14
15// Output:
16// ["How", "you", "doing"]
17// <<How--you--doing>>

因为views::split()返回的是一个subrange，因此需要将其转变成string_view，否则，输出将为：

 1int main() {
 2    std::string_view contents {"How you doing"};
 3
 4    auto words = contents | std::views::split(' ');
 5
 6    fmt::print("{}\n", words);
 7    fmt::print("<<{}>>", fmt::join(words, "--"));
 8
 9}
10
11// Output:
12// [[H, o, w], [y, o, u], [d, o, i, n, g]]
13// <<['H', 'o', 'w']--['y', 'o', 'u']--['d', 'o', 'i', 'n', 'g']>>

总之，这个特性将极大简化Ranges的输出，是值得兴奋的特性之一。

该特性目前没有编译器支持。

7 import std（P2465）

C++20模块很难用的一个原因就是标准模块没有提供，因此这个特性的加入是自然趋势。

现在，可以写出这样的代码：

1import std;
2
3int main() {
4    std::print("Hello standard library modules!\n");
5}

性能对比：

如何你是混合C和C++，那可以使用std.compat module，所有的C函数和标准库函数都会包含进来。

目前基本没有编译器支持此特性。

8 out_ptr（P1132r8）

23新增了两个对于指针的抽象类型，std::out_ptr_t和std::inout_ptr_t，两个新的函数std::out_ptr()和std::inout_ptr()分别返回这两个类型。

主要是在和C API交互时使用的，一个例子对比一下：

 1// Before
 2int old_c_api(int**);
 3
 4int main() {
 5    auto up = std::make_unique<int>(5);
 6
 7    int* up_raw = up.release();
 8    if (int ec = foreign_resetter(&up)) {
 9        return ec;
10    }
11
12    up.reset(up_raw);
13}
14
15////////////////////////////////
16// After
17int old_c_api(int**);
18
19int main() {
20    auto up = std::make_unique<int>(5);
21
22    if (int ec = foreign_resetter(std::inout_ptr(up))) {
23        return ec;
24    }
25
26    // *up is still valid
27}

该特性目前在MSVC v19.30支持。

9 auto(x) decay copy（P0849）

该提案为auto又增加了两个新语法：auto(x)和auto{x}。两个作用一样，只是写法不同，都是为x创建一份拷贝。

为什么需要这么个东西？

看一个例子：

1void bar(const auto&);
2
3void foo(const auto& param) {
4    auto copy = param;
5    bar(copy);
6}

foo()中调用bar()，希望传递一份param的拷贝，则我们需要单独多声明一个临时变量。或是这样：

1void foo(const auto& param) {
2    bar(std::decay_t<decltype(param)>{param});
3}

这种方式需要手动去除多余的修饰，只留下T，要更加麻烦。

auto(x)就是内建的decay copy，现在可以直接这样写：

1void foo(const auto& param) {
2    bar(auto{param});
3}

大家可能还没意识到其必要性，来看提案当中更加复杂一点的例子。

 1void pop_front_alike(auto& container) {
 2    std::erase(container, container.front());
 3}
 4
 5int main() {
 6    std::vector fruits{ "apple", "apple", "cherry", "grape", 
 7        "apple", "papaya", "plum", "papaya", "cherry", "apple"};
 8    pop_front_alike(fruits);
 9
10    fmt::print("{}\n", fruits);
11}
12
13// Output:
14// ["cherry", "grape", "apple", "papaya", "plum", "papaya", "apple"]

请注意该程序的输出，是否如你所想的一样。若没有发现问题，请让我再提醒一下：pop_front_alike()要移除容器中所有跟第1个元素相同的元素。

因此，理想的结果应该为：

["cherry", "grape", "papaya", "plum", "papaya", "cherry"]

是哪里出了问题呢？让我们来看看gcc std::erase()的实现：

 1template<typename _ForwardIterator, typename _Predicate>
 2_ForwardIterator
 3    __remove_if(_ForwardIterator __first, _ForwardIterator __last,
 4        _Predicate __pred)
 5{
 6    __first = std::__find_if(__first, __last, __pred);
 7    if (__first == __last)
 8        return __first;
 9    _ForwardIterator __result = __first;
10    ++__first;
11    for (; __first != __last; ++__first)
12        if (!__pred(__first)) {
13            *__result = _GLIBCXX_MOVE(*__first);
14            ++__result;
15        }
16
17    return __result;
18}
19
20template<typename _Tp, typename _Alloc, typename _Up>
21    inline typename vector<_Tp, _Alloc>::size_type
22erase(vector<_Tp, _Alloc>& __cont, const _Up& __value)
23{
24    const auto __osz = __cont.size();
25    __cont.erase(std::remove(__cont.begin(), __cont.end(), __value),
26        __cont.end());
27    return __osz - __cont.size();
28}

std::remove()最终调用的是remove_if()，因此关键就在这个算法里面。这个算法每次会比较当前元素和欲移除元素，若不相等，则用当前元素覆盖当前__result迭代器的值，然后__result向后移一位。重复这个操作，最后全部有效元素就都跑到__result迭代器的前面去了。

问题出在哪里呢？欲移除元素始终指向首个元素，而它会随着元素覆盖操作被改变，因为它的类型为const T&。

此时，必须重新copy一份值，才能得到正确的结果。

故将代码小作更改，就能得到正确的结果。

void pop_front_alike(auto& container) {
    auto copy = container.front();
    std::erase(container, copy);
}

然而这种方式是非常反直觉的，一般来说这两种写法的效果应该是等价的。

我们将copy定义为一个单独的函数，表达效果则要好一点。

auto copy(const auto& value) {
    return value;
}

void pop_front_alike(auto& container) {
    std::erase(container, copy(container.front()));
}

而auto{x}和auto(x)，就相当于这个copy()函数，只不过它是内建到语言里面的而已。

10 Narrowing contextual conversions to bool

这个提案允许在static_assert和if constexpr中从整形转换为布尔类型。

以下表格就可以表示所有内容。

Before	After
if constexpr(bool(flags & Flags::Exec))	if constexpr(flags & Flags::Exec)
if constexpr(flags & Flags::Exec != 0)	if constexpr(flags & Flags::Exec)
static_assert(N % 4 != 0);	static_assert(N % 4);
static_assert(bool(N));	static_assert(N);

对于严格的C++编译器来说，以前在这种情境下int无法向下转换为bool，需要手动强制转换，C++23这一情况得到了改善。

目前在GCC 9和Clang 13以上版本支持该特性。

11 forward_like（P2445）

这个在Deducing this那节已经使用过了，是同一个作者。

使用情境让我们回顾一下这个例子：

1auto callback = [m = get_message(), &scheduler](this auto&& self) -> bool {
2    return scheduler.submit(std::forward_like<decltype(self)>(m));
3};
4
5callback();            // retry(callback)
6std::move(callback)(); // try-or-fail(rvalue)

std::forward_like加入到了<utility>中，就是根据模板参数的值类别来转发参数。

如果closure type为左值，那么m将转发为左值；如果为右值，将转发为右值。

听说Clang 16和MSVC v19.34支持该特性，但都尚未发布。

12 #elifdef and #elifndef（P2334）

这两个预处理指令来自WG14（C的工作组），加入到了C23。C++为了兼容C，也将它们加入到了C++23。

也是一个完善工作。

#ifdef和#ifndef分别是#if defined()和#if !defined()的简写，而#elif defined()和#elif !defined()却并没有与之对应的简写指令。因此，C23使用#elifdef和#elifndef来补充这一遗漏。

总之，是两个非常简单的小特性。目前已在GCC 12和Clang 13得到支持。

13 #warning（P2437）

#warning是主流编译器都会支持的一个特性，最终倒逼C23和C++23也加入了进来。

这个小特性可以用来产生警告信息，与#error不同，它并不会停止翻译。

用法很简单：

1#ifndef FOO
2#warning "FOO defined, performance might be limited"
3#endif

目前MSVC不支持该特性，其他主流编译器都支持。

14 constexpr std::unique_ptr（P2273R3）

std::unique_ptr也支持编译期计算了，一个小例子：

1constexpr auto fun() {
2    auto p = std::make_unique<int>(4);
3    return *p;
4}
5
6int main() {
7    constexpr auto i = fun();
8    static_assert(4 == i);
9}

目前GCC 12和MSVC v19.33支持该特性。

15 improving string and string_view（P1679R3, P2166R1, P1989R2, P1072R10, P2251R1）

string和string_view也获得了一些增强，这里简单地说下。

P1679为二者增加了一个contain()函数，小例子：

1std::string str("dummy text");
2if (str.contains("dummy")) {
3    // do something
4}

目前GCC 11，Clang 12，MSVC v19.30支持该特性。

P2166使得它们从nullptr构建不再产生UB，而是直接编译失败。

1std::string s { nullptr };       // error!
2std::string_view sv { nullptr }; // error!

目前GCC 12，Clang 13，MSVC v19.30支持该特性。

P1989是针对std::string_view的，一个小例子搞定：

1int main() {
2    std::vector v { 'a', 'b', 'c' };
3
4    // Before
5    std::string_view sv(v.begin(), v.end());
6
7    // After
8    std::string_view sv23 { v };
9}

以前无法直接从Ranges构建std::string_view，而现在支持这种方式。

该特性在GCC 11，Clang 14，MSVC v19.30已经支持。

P1072为string新增了一个成员函数：

1template< class Operation >
2constexpr void resize_and_overwrite( size_type count, Operation op );

可以通过提案中的一个示例来理解：

1int main() {
2    std::string s { "Food: " };
3
4    s.resize_and_overwrite(10, [](char* buf, int n) {
5        return std::find(buf, buf + n, ':') - buf;
6    });
7
8    std::cout << std::quoted(s) << '\n'; // "Food"
9}

主要是两个操作：改变大小和覆盖内容。第1个参数是新的大小，第2个参数是一个op，用于设置新的内容。

然后的逻辑是：

如果maxsize <= s.size()，删除最后的size()-maxsize个元素；
如果maxsize > s.size()，追加maxsize-size()个默认元素；
调用erase(begin() + op(data(), maxsize), end())。

这里再给出一个例子，可以使用上面的逻辑来走一遍，以更清晰地理解该函数。

 1constexpr std::string_view fruits[] {"apple", "banana", "coconut", "date", "elderberry"};
 2std::string s1 { "Food: " };
 3
 4s1.resize_and_overwrite(16, [sz = s1.size()](char* buf, std::size_t buf_size) {
 5    const auto to_copy = std::min(buf_size - sz, fruits[1].size()); // 6
 6    std::memcpy(buf + sz, fruits[1].data(), to_copy); // append "banana" to s1.
 7    return sz + to_copy; // 6 + 6
 8});
 9
10std::cout << s1; // Food: banana

注意一下，maxsize是最大的可能大小，而op返回才是实际大小，因此逻辑的最后才有一个erase()操作，用于删除多余的大小。

这个特性在GCC 12，Clang 14，MSVC v19.31已经实现。

接着来看P2251，它更新了std::span和std::string_view的约束，从C++23开始，它们必须满足TriviallyCopyable Concept。

主流编译器都支持该特性。

最后来看P0448，其引入了一个新的头文件<spanstream>。

大家都知道，stringstream现在被广泛使用，可以将数据存储到string或vector当中，但这些容器当数据增长时会发生「挪窝」的行为，若是不想产生这个开销呢？

<spanstream>提供了一种选择，你可以指定固定大小的buffer，它不会重新分配内存，但要小心数据超出buffer大小，此时内存的所有权在程序员这边。

一个小例子：

 1#define ASSERT_EQUAL(a, b) assert(a == b)
 2#define ASSERT(a) assert(a)
 3
 4int main() {
 5    char input[] = "10 20 30";
 6    std::ispanstream is{ std::span<char>{input} };
 7    int i;
 8
 9    is >> i;
10    ASSERT_EQUAL(10,i);
11
12    is >> i;
13    ASSERT_EQUAL(20,i);
14
15    is >> i;
16    ASSERT_EQUAL(30,i);
17
18    is >> i;
19    ASSERT(!is);
20}

目前GCC 12和MSVC v19.31已支持该特性。

16 static operator()（P1169R4）

因为函数对象，Lambdas使用得越来越多，经常作为标准库的定制点使用。这种函数对象只有一个operator ()，如果允许声明为static，则可以提高性能。

至于原理，大家可以回顾一下Deducing this那节的Pass this by value提高性能的原理。明白静态函数和非静态函数在重载决议中的区别，大概就能明白这点。

顺便一提，由于mutidimensional operator[]如今已经可以达到和operator()一样的效果，它也可以作为一种新的函数语法，你完全可以这样调用foo[]，只是不太直观。因此，P2589也提议了static operator[]。

17 std::unreachable（P0627R6）

当我们知道某个位置是不可能执行到，而编译器不知道时，使用std::unreachalbe可以告诉编译器，从而避免没必要的运行期检查。

一个简单的例子：

 1void foo(int a) {
 2    switch (a) {
 3        case 1:
 4            // do something
 5            break;
 6        case 2:
 7            // do something
 8            break;
 9        default:
10            std::unreachable();
11    }
12}
13
14bool is_valid(int a) {
15    return a == 1 || a == 2;
16}
17
18int main() {
19    int a = 0;
20    while (!is_valid(a))
21        std::cin >> a;
22    foo(a);
23}

该特性位于<utility>，在GCC 12，Clang 15和MSVC v19.32已经支持。

18 std::to_underlying（P1682R3）

同样位于<utility>，用于枚举到其潜在的类型，相当于以下代码的语法糖：

static_cast<std::underlying_type_t<Enum>>(e);

一个简单的例子就能看懂：

 1void print_day(int a) {
 2    fmt::print("{}\n", a);
 3}
 4
 5enum class Day : std::uint8_t {
 6    Monday = 1,
 7    Tuesday,
 8    Wednesday,
 9    Thursday,
10    Friday,
11    Saturday,
12    Sunday
13};
14
15
16int main() {
17    // Before
18    print_day(static_cast<std::underlying_type_t<Day>>(Day::Monday));
19
20    // C++23
21    print_day(std::to_underlying(Day::Friday));
22}

的确很简单吧！

该特性目前在GCC 11，Clang 13，MSVC v19.30已经实现。

19 std::byteswap（P1272R4）

位于<bit>，顾名思义，是关于位操作的。

同样，一个例子看懂：

 1template <std::integral T>
 2void print_hex(T v)
 3{
 4    for (std::size_t i = 0; i < sizeof(T); ++i, v >>= 8)
 5    {
 6        fmt::print("{:02X} ", static_cast<unsigned>(T(0xFF) & v));
 7    }   
 8    std::cout << '\n';
 9    }
10
11int main()
12{
13    unsigned char a = 0xBA;
14    print_hex(a);                     // BA
15    print_hex(std::byteswap(a));      // BA
16    unsigned short b = 0xBAAD;
17    print_hex(b);                     // AD BA
18    print_hex(std::byteswap(b));      // BA AD
19    int c = 0xBAADF00D;
20    print_hex(c);                     // 0D F0 AD BA
21    print_hex(std::byteswap(c));      // BA AD F0 0D
22    long long d = 0xBAADF00DBAADC0FE;
23    print_hex(d);                     // FE C0 AD BA 0D F0 AD BA
24    print_hex(std::byteswap(d));      // BA AD F0 0D BA AD C0 FE
25}

可以看到，其作用是逆转整型的字节序。当需要在两个不同的系统传输数据，它们使用不同的字节序时（大端小端），这个工具就会很有用。

该特性目前在GCC 12，Clang 14和MSVC v19.31已经支持。

20 std::stacktrace（P0881R7, P2301R1）

位于<stacktrace>，可以让我们捕获调用栈的信息，从而知道哪个函数调用了当前函数，哪个调用引发了异常，以更好地定位错误。

一个小例子：

1void foo() {
2    auto trace = std::stacktrace::current();
3    std::cout << std::to_string(trace) << '\n';
4}
5
6int main() {
7    foo();
8}

输出如下。

0# foo() at /app/example.cpp:5
1#      at /app/example.cpp:10
2#      at :0
3#      at :0
4#

注意，目前GCC 12.1和MSVC v19.34支持该特性，GCC 编译时要加上-lstdc++_libbacktrace参数。

std::stacktrace是std::basic_stacktrace使用默认分配器时的别名，定义为：

using stacktrace = std::basic_stacktrace<std::allocator<std::stacktrace_entry>>;

而P2301，则是为其添加了PMR版本的别名，定义为：

namespace pmr {
using stacktrace =
    std::basic_stacktrace<std::pmr::polymorphic_allocator<std::stacktrace_entry>>;
}

于是使用起来就会方便一些。

 1// Before
 2char buffer[1024];
 3
 4std::pmr::monotonic_buffer_resource pool{
 5    std::data(buffer), std::size(buffer)};
 6
 7std::basic_stacktrace<
 8    std::pmr::polymorphic_allocator<std::stacktrace_entry>>
 9    trace{&pool};
10
11// After
12char buffer[1024];
13
14std::pmr::monotonic_buffer_resource pool{
15    std::data(buffer), std::size(buffer)};
16
17std::pmr::stacktrace trace{&pool};

这个特性到时再单独写篇文章，在此不细论。

21 Attributes（P1774R8, P2173R1, P2156R1）

Attributes在C++23也有一些改变。

首先，P1774新增了一个Attribute [[assume]]，其实在很多编译器早已存在相应的特性，例如__assume()(MSVC, ICC)，__builtin_assume()(Clang)。GCC没有相关特性，所以它也是最早实现标准[[assume]]的，目前就GCC 13支持该特性（等四月发布，该版本对Rangs的支持也很完善）。

现在可以通过宏来玩：

1#if defined(__clang__)
2  #define ASSUME(expr) __builtin_assume(expr)
3#elif defined(__GNUC__) && !defined(__ICC)
4  #define ASSUME(expr) if (expr) {} else { __builtin_unreachable(); }
5#elif defined(_MSC_VER) || defined(__ICC)
6  #define ASSUME(expr) __assume(expr)
7#endif

论文当中的一个例子：

1void limiter(float* data, size_t size) {
2    ASSUME(size > 0);
3    ASSUME(size % 32 == 0);
4
5    for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
6        ASSUME(std::isfinite(data[i]));
7        data[i] = std::clamp(data[i], -1.0f, 1.0f);
8    }
9}

第一个是假设size永不为0，总是正数；第二个告诉编译器size总是32的倍数；第三个表明数据不是NaN或无限小数。

这些假设不会被评估，也不会被检查，编译器假设其为真，依此优化代码。若是假设为假，可能会产生UB。

使用该特性与否编译产生的指令数对比结果如下图。

其次，P2173使得可以在Lambda表达式上使用Attributes，一个例子：

 1// Any attribute so specified does not appertain to the function 
 2// call operator or operator template itself, but its type.
 3auto lam = [][[nodiscard]] ->int { return 42; };
 4
 5int main()
 6{
 7    lam();
 8}
 9
10// Output:
11// <source>: In function 'int main()':
12// <source>:12:8: warning: ignoring return value of '<lambda()>', declared with attribute 'nodiscard' [-Wunused-result]
13//    12 |     lam();
14//       |     ~~~^~
15// <source>:8:12: note: declared here
16//     8 | auto lam = [][[nodiscard]] ->int { return 42; };
17//       |            ^

注意，Attributes属于closure type，而不属于operator ()。

因此，有些Attributes不能使用，比如[[noreturn]]，它表明函数的控制流不会返回到调用方，而对于Lambda函数是会返回的。

除此之外，此处我还展示了C++的另一个Lambda特性。

在C++23之前，最简单的Lambda表达式为[](){}，而到了C++23，则是[]{}，可以省略无参时的括号，这得感谢P1102。

早在GCC 9就支持Attributes Lambda，Clang 13如今也支持。

最后来看P2156，它移除了重复Attributes的限制。

简单来说，两种重复Attributes的语法评判不一致。例子：

1// Not allow
2[[nodiscard, nodiscard]] auto foo() {
3    return 42;
4}
5
6// Allowed
7[[nodiscard]][[nodiscard]] auto foo() {
8    return 42;
9}

为了保证一致性，去除此限制，使得标准更简单。

什么时候会出现重复Attributes，看论文怎么说：

During this discussion, it was brought up that
the duplication across attribute-specifiers are to support cases where macros are used to conditionally add attributes to an
attribute-specifier-seq, however it is rare for macros to be used to generate attributes within the same attribute-list. Thus,
removing the limitation for that reason is unnecessary.

在基于宏生成的时候可能会出现重复Attributes，因此允许第二种方式；宏生成很少使用第一种形式，因此标准限制了这种情况。但这却并没有让标准变得更简单。因此，最终移除了该限制。

目前使用GCC 11，Clang 13以上两种形式的结果将保持一致。

22 Lambdas（P1102R2, P2036R3, P2173R1）

Lambdas表达式在C++23也再次迎来了一些新特性。

像是支持Attributes，可以省略()，这在Attributes这一节已经介绍过，不再赘述。

另一个新特性是P2036提的，接下来主要说说这个。

这个特性改变了trailing return types的Name Lookup规则，为什么？让我们来看一个例子。

1double j = 42.0;
2// ...
3auto counter = [j = 0]() mutable -> decltype(j) {
4    return j++;
5};

counter最终的类型是什么？是int吗？还是double？其实是double。

无论捕获列表当中存在什么值，trailing return type的Name Lookup都不会查找到它。

这意味着单独这样写将会编译出错：

1auto counter = [j=0]() mutable -> decltype(j) {
2    return j++;
3};
4
5// Output:
6// <source>:6:44: error: use of undeclared identifier 'j'
7// auto counter = [j=0]() mutable -> decltype(j) {
8//                                            ^

因为对于trailing return type来说，根本就看不见捕获列表中的j。

以下例子能够更清晰地展示这个错误：

1template <typename T> int bar(int&, T&&);        // #1
2template <typename T> void bar(int const&, T&&); // #2
3
4int i;
5auto f = [=](auto&& x) -> decltype(bar(i, x)) {
6    return bar(i, x);
7}
8
9f(42); // error

在C++23，trailing return types的Name Lookup规则变为：在外部查找之前，先查找捕获列表，从而解决这个问题。

目前没有任何编译器支持该特性。

23 Literal suffixes for (signed) size_t（P0330R8）

这个特性为std::size_t增加了后缀uz，为signed std::size_t加了后缀z。

有什么用呢？看个例子：

1#include <vector>
2
3int main() {
4  std::vector<int> v{0, 1, 2, 3};
5    for (auto i = 0u, s = v.size(); i < s; ++i) {
6      /* use both i and v[i] */
7    }
8}

这代码在32 bit平台编译能够通过，而放到64 bit平台编译，则会出现错误：

1<source>(5): error C3538: in a declarator-list 'auto' must always deduce to the same type
2<source>(5): note: could be 'unsigned int'
3<source>(5): note: or       'unsigned __int64'

在32 bit平台上，i被推导为unsigned int，v.size()返回的类型为size_t。而size_t在32 bit上为unsigned int，而在64 bit上为unsigned long long。(in MSVC)

因此，同样的代码，从32 bit切换到64 bit时就会出现错误。

而通过新增的后缀，则可以保证这个代码在任何平台上都能有相同的结果。

1#include <vector>
2
3int main() {
4    std::vector<int> v{0, 1, 2, 3};
5    for (auto i = 0uz, s = v.size(); i < s; ++i) {
6      /* use both i and v[i] */
7    }
8}

如此一来就解决了这个问题。

目前GCC 11和Clang 13支持该特性。

24 std::mdspan（P0009r18）

std::mdspan是std::span的多维版本，因此它是一个多维Views。

看一个例子，简单了解其用法。

 1int main()
 2{
 3  std::vector v = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};
 4
 5  // View data as contiguous memory representing 2 rows of 6 ints each
 6  auto ms2 = std::experimental::mdspan(v.data(), 2, 6);
 7  // View the same data as a 3D array 2 x 3 x 2
 8  auto ms3 = std::experimental::mdspan(v.data(), 2, 3, 2);
 9
10  // write data using 2D view
11  for(size_t i=0; i != ms2.extent(0); i++)
12    for(size_t j=0; j != ms2.extent(1); j++)
13      ms2[i, j] = i*1000 + j;
14
15  // read back using 3D view
16  for(size_t i=0; i != ms3.extent(0); i++)
17  {
18    fmt::print("slice @ i = {}\n", i);
19    for(size_t j=0; j != ms3.extent(1); j++)
20    {
21      for(size_t k=0; k != ms3.extent(2); k++)
22        fmt::print("{} ",  ms3[i, j, k]);
23      fmt::print("\n");
24    }
25  }
26}

目前没有编译器支持该特性，使用的是https://raw.githubusercontent.com/kokkos/mdspan/single-header/mdspan.hpp实现的版本，所以在experimental下面。

ms2是将数据以二维形式访问，ms3则以三维访问，Views可以改变原有数据，因此最终遍历的结果为：

1slice @ i = 0
20 1 
32 3 
44 5 
5slice @ i = 1
61000 1001 
71002 1003 
81004 1005

这个特性值得剖析下其设计，这里不再深究，后面单独出一篇文章。

25 flat_map, flat_set（P0429R9, P1222R4）

C++23多了flat version的map和set：

flat_map
flat_set
flat_multimap
flat_multiset

过去的容器，有的使用二叉树，有的使用哈希表，而flat版本的使用的连续序列的容器，更像是容器的适配器。

无非就是时间或空间复杂度的均衡，目前没有具体测试，也没有编译器支持，暂不深究。

26 总结

本篇已经够长了，C++23比较有用的特性基本都包含进来了。

其中的另一个重要更新Ranges并没有包含，是因为之前已经单独写过单独文章了。参考C++23 | Ranges的修复与完善

读至此，大家应该已经感觉到C++23在于完善，而不在于增加。没有什么全新的东西，也没什么太大的特性，那些就得等到C++26了。

很多特性在这篇概述就已经讲清了原理，而有几个特性还是值得深挖一下，后面单独再出文章。还有少数芝麻大小的特性本文没有包含，必要的话也留到后面单独再介绍。

大家喜欢哪些C++23特性？

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http://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzUxOTQ4NjIzNw==&mid=2247488112&idx=1&sn=7d51b2e484f4a491dd82e77321d363f3

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