268 - Combining Concepts

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好的，新同学你好！我是你的 C++ 老师。别担心，C++ 看起来可能有点复杂，但我们会一步一步来，用最清晰易懂的方式学习。这节课我们来学习一个 C++20 引入的很酷的特性：概念（Concept）的组合。

1. 标题和摘要

标题： C++ 概念：使用逻辑运算符组合约束

摘要： 本节课讲解如何使用逻辑与（&& - AND）和逻辑或（|| - OR）运算符将多个 C++ 概念（Concept）组合起来，对模板参数施加更复杂的约束。我们将通过示例代码学习其语法和应用场景，并了解一种不推荐的“内联”定义方式。

2. 详细解释

我们之前可能已经接触过 C++ 的模板（template），它允许我们编写通用的代码，可以处理不同类型的数据。但有时候，我们希望对这些“不同类型”进行一些限制，不是任何类型都适用。比如，一个函数可能只接受整数，或者只接受能进行比较的类型。

C++20 引入了 概念（Concept） 这个强大的特性，它允许我们明确地定义对模板参数的 要求（requirements）。这些要求可以是语法上的（比如，要求某个类型必须有某个成员函数），也可以是语义上的（比如，通过 requires 表达式检查某个表达式的值）。

这节课的核心是，我们不仅能定义单个概念，还能像拼积木一样，把多个概念 组合 起来，形成更复杂、更精确的约束条件。怎么组合呢？就是使用我们熟悉的 逻辑运算符（logical operators）：

• 逻辑与 (Logical AND - &&)：表示 同时满足 多个概念。如果一个类型需要满足 ConceptA && ConceptB，那么它必须 既 满足 ConceptA 又 满足 ConceptB。
• 逻辑或 (Logical OR - ||)：表示 满足其中任意一个 概念即可。如果一个类型需要满足 ConceptA || ConceptB，那么它 要么 满足 ConceptA，要么 满足 ConceptB，或者两者都满足。

让我们来看一个例子：TinyType 概念

在讲解组合之前，我们先回顾（或学习）一个简单的概念 TinyType。

C++

Code

template <typename T>
concept TinyType = requires(T t) {
    // 简单要求 (simple requirement): 检查 sizeof(T) < 4 这个语法是否有效
    sizeof(T) < 4;
    // 嵌套要求 (nested requirement): 不仅检查语法，还要求表达式的值必须为 true
    { sizeof(T) < 4 } -> std::convertible_to<bool>; // C++20 语法，确保结果可转为 bool
    requires sizeof(T) < 4; // 更直接的方式强制要求表达式为 true
};

这个 TinyType 概念是用来检查一个类型 T 所占用的内存大小（用 sizeof(T) 获取）是否小于 4 个字节。

• sizeof(T) < 4; 这是一个 简单要求（simple requirement），它只检查这个表达式在语法上是否有效。
• requires sizeof(T) < 4; 这是一个 嵌套要求（nested requirement）。它不仅检查语法，还 强制要求 sizeof(T) < 4 这个表达式的计算结果必须是 true。如果结果是 false，即使语法没错，这个概念也不会被满足。

如何在一个函数模板中使用和组合概念？

我们通常在函数模板的声明中使用 requires 子句来应用概念。

C++

Code

template <typename T>
// requires 子句 (requires clause) 开始
requires ConceptA<T> && ConceptB<T> // 或者 ConceptA<T> || ConceptB<T>
T func(T param) {
    // 函数体
    return param;
}

这里的 requires 关键字（keyword）后面跟着的就是对模板参数 T 的约束条件。

组合示例 1：使用逻辑或 (||)

假设我们想让一个函数 add 既能处理整数类型，也能处理浮点数类型。我们可以使用标准库里预定义的 std::integral 和 std::floating_point 概念，并用 || 把它们组合起来。

C++

Code

#include <concepts> // 需要包含 concepts 头文件

template <typename T>
requires std::integral<T> || std::floating_point<T> // 要求 T 要么是整数，要么是浮点数
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

• std::integral<T>：检查类型 T 是否是整数类型（如 int, char, long long 等）。
• std::floating_point<T>：检查类型 T 是否是浮点数类型（如 float, double 等）。
• ||：表示 T 只需要满足这两个概念中的 任何一个 就可以了。

所以，你可以用 int 或者 double 来调用 add 函数，都没问题。但是如果你尝试用 std::string 或者其他不满足这两个概念中任何一个的类型来调用，编译器就会报错，因为它不满足我们设定的约束。

组合示例 2：使用逻辑与 (&&)

现在，假设我们想让 add 函数的要求更严格：它处理的类型 必须 是整数类型，并且 这个类型的内存大小必须小于 4 字节（满足我们之前定义的 TinyType）。这时我们就需要用 &&。

C++

Code

// (假设 TinyType 概念已定义如上)

template <typename T>
requires std::integral<T> && TinyType<T> // 要求 T 必须同时是整数 并且 满足 TinyType
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

• &&：表示 T 必须 同时满足 std::integral<T> 和 TinyType<T> 这两个条件。

那么：

• 如果你用 int (通常占用 4 字节或更少，具体取决于系统，但我们假设它在某些系统上是 4 字节，那么它可能不满足 < 4，但如果是 short 或 char 通常可以) 调用 add，这取决于 int 的实际大小。如果 sizeof(int) 是 4，那么 TinyType<int> 为 false，调用失败。如果 sizeof(short) 是 2，那么 short 类型既是 integral 也是 TinyType，可以调用。
• 如果你用 long long int (通常占用 8 字节) 调用 add，它满足 std::integral<long long int>，但不满足 TinyType<long long int> (因为 8 不小于 4)，所以调用会失败。
• 如果你用 double (浮点数) 调用 add，它不满足 std::integral<double>，所以调用也会失败（即使它可能满足或不满足 TinyType，但 && 要求两者都满足）。

一种不推荐的方式：内联定义概念

C++ 语法甚至允许你不在 requires 子句中直接使用已命名的概念，而是直接把概念的定义（requires 表达式）写在里面。

C++

Code

template <typename T>
requires std::integral<T> && requires(T t) { requires sizeof(T) < 4; } // 直接把 TinyType 的核心要求写在这里
T func(T param) {
    // ...
}

你看，requires std::integral<T> && requires(T t) { requires sizeof(T) < 4; } 这一长串就是约束。虽然语法上是合法的，并且能达到和 requires std::integral<T> && TinyType<T> 一样的效果，但它让函数声明变得非常冗长和难以阅读。通常我们强烈建议将复杂的约束封装成一个命名良好的概念，然后在 requires 子句中使用这个名字，这样代码会清晰得多。

总结一下：

• 使用 && 和 || 可以组合多个概念。
• && 表示必须同时满足所有条件。
• || 表示只需满足任意一个条件。
• 组合概念可以用在函数模板的 requires 子句中，来精确控制允许使用的类型。
• 避免在 requires 子句中直接写复杂的 requires 表达式（内联定义），优先使用命名概念。

3. 代码示例

C++

Code

#include <iostream>
#include <concepts> // 引入概念库
#include <string>   // 引入字符串库

// 定义 TinyType 概念
template <typename T>
concept TinyType = requires(T t) {
    // 要求 sizeof(T) < 4 这个表达式必须为 true
    requires sizeof(T) < 4;
};

// 示例函数 1: 使用 || 组合概念
template <typename T>
requires std::integral<T> || std::floating_point<T> // T 必须是整数或浮点数
T add_or(T a, T b) {
    std::cout << "使用 add_or (整数或浮点数): ";
    return a + b;
}

// 示例函数 2: 使用 && 组合概念
template <typename T>
requires std::integral<T> && TinyType<T> // T 必须同时是整数并且小于4字节
T add_and(T a, T b) {
    std::cout << "使用 add_and (整数且小于4字节): ";
    return a + b;
}

// 示例函数 3: (不推荐) 内联定义概念
template <typename T>
requires std::integral<T> && requires(T t) { requires sizeof(T) < 4; } // T 必须是整数并且小于4字节 (内联)
T add_inline(T a, T b) {
    std::cout << "使用 add_inline (内联定义): ";
    return a + b;
}


int main() {
    int a = 5, b = 3;          // int: 整数, 通常 4 字节
    short c = 1, d = 2;        // short: 整数, 通常 2 字节 (< 4)
    double e = 1.5, f = 2.5;   // double: 浮点数, 通常 8 字节
    long long g = 10, h = 20;  // long long: 整数, 通常 8 字节
    std::string s1 = "a", s2 = "b"; // string: 不是整数也不是浮点数

    // 测试 add_or (||)
    std::cout << add_or(a, b) << std::endl;  // 输出: 使用 add_or (整数或浮点数): 8 (int 满足 integral)
    std::cout << add_or(c, d) << std::endl;  // 输出: 使用 add_or (整数或浮点数): 3 (short 满足 integral)
    std::cout << add_or(e, f) << std::endl;  // 输出: 使用 add_or (整数或浮点数): 4 (double 满足 floating_point)
    std::cout << add_or(g, h) << std::endl;  // 输出: 使用 add_or (整数或浮点数): 30 (long long 满足 integral)
    // std::cout << add_or(s1, s2) << std::endl; // 编译错误！string 既不是 integral 也不是 floating_point

    std::cout << "\n";

    // 测试 add_and (&&)
    // std::cout << add_and(a, b) << std::endl; // 编译错误（如果 sizeof(int) >= 4）！int 满足 integral 但不满足 TinyType
    std::cout << add_and(c, d) << std::endl;  // 输出: 使用 add_and (整数且小于4字节): 3 (short 满足 integral 和 TinyType)
    // std::cout << add_and(e, f) << std::endl; // 编译错误！double 不满足 integral
    // std::cout << add_and(g, h) << std::endl; // 编译错误！long long 不满足 TinyType (sizeof >= 4)
    // std::cout << add_and(s1, s2) << std::endl; // 编译错误！string 不满足 integral

     std::cout << "\n";

    // 测试 add_inline (与 add_and 效果相同)
    std::cout << add_inline(c, d) << std::endl; // 输出: 使用 add_inline (内联定义): 3 (short 满足 integral 和 TinyType)
    // 其他调用同样会根据是否同时满足 integral 和 sizeof < 4 来决定成功或失败

    // 打印一些类型的大小以供参考 (结果可能因系统而异)
    std::cout << "\n类型大小参考:\n";
    std::cout << "sizeof(int): " << sizeof(int) << std::endl;
    std::cout << "sizeof(short): " << sizeof(short) << std::endl;
    std::cout << "sizeof(double): " << sizeof(double) << std::endl;
    std::cout << "sizeof(long long): " << sizeof(long long) << std::endl;


    return 0;
}

注意： sizeof(int) 的大小在不同系统或编译器设置下可能是 4 字节或更大/更小。上述代码假设 sizeof(short) < 4，而 sizeof(int) 可能等于或大于 4， sizeof(long long) 大于 4。你需要根据你的实际编译环境来判断 int 是否满足 TinyType。

4. QA 闪卡 (QA Flash Cards)

问题 (Question)	答案 (Answer)
如何组合两个 C++ 概念，要求类型同时满足两者？	使用逻辑与运算符 && (AND)。例如：requires ConceptA<T> && ConceptB<T>。
如何组合两个 C++ 概念，要求类型满足其中任意一个即可？	使用逻辑或运算符 `
std::integral<T> 这个概念是检查什么的？	检查类型 T 是否是 C++ 标准定义的整数类型之一。
为什么不推荐在 requires 子句中直接写复杂的 requires 表达式（内联定义）？	会让函数模板的声明变得非常冗长、难以阅读和维护。最好定义成一个命名的概念。
requires { sizeof(T) < 4 } 和 requires requires sizeof(T) < 4; 有什么区别？	前者是复合要求(compound requirement)，可以检查更复杂的语法结构。后者是嵌套要求(nested requirement)，明确要求里面的表达式为true。对于简单布尔检查，嵌套要求更直接。

5. 常见误解或错误 (Common Misunderstandings/Mistakes)

1. 混淆 && 和 ||：最常见的错误是该用 &&（与）的时候用了 ||（或），或者反过来。务必想清楚你是要求 所有 条件都满足，还是 任一 条件满足即可。
2. 忘记包含 <concepts> 头文件：使用标准概念（如 std::integral）或定义自己的概念都需要包含这个头文件。
3. requires 子句语法错误：requires 关键字后面直接跟约束表达式，或者跟一个 requires 表达式。例如 requires requires ConceptA<T> 是错误的，应该是 requires ConceptA<T>。
4. 对 sizeof 的误解：sizeof 返回的是类型占用的字节数，这个值在不同平台和编译器下可能不同。依赖 sizeof 的概念（如 TinyType）可能不具备完全的可移植性，除非你明确知道目标平台的类型大小。
5. 过度复杂的内联概念：如前所述，虽然语法允许，但在 requires 子句中写一长串 requires { ... }; requires ...; 会严重降低代码可读性。

6. 编码练习 (Coding Exercise)

现在，请你来完成一个小练习。我们有一个概念 HasToString，用于检查一个类型是否有 .toString() 成员函数。请你修改下面的函数模板 processData，使其同时满足以下两个条件：

1. 类型 T 必须是有符号整数（可以使用标准概念 std::signed_integral）。
2. 类型 T 必须满足 HasToString 概念。

C++

Code

#include <iostream>
#include <concepts>
#include <string>
#include <vector> // 只是为了让 HasToString 有个例子

// 假设这个概念检查类型是否有 toString() 成员函数
template <typename T>
concept HasToString = requires(T obj) {
    { obj.toString() } -> std::convertible_to<std::string>;
};

// 一个满足 HasToString 的示例类型 (仅用于演示)
struct MyData {
    int value;
    std::string toString() const {
        return "MyData{" + std::to_string(value) + "}";
    }
};

// 一个不满足 HasToString 的示例类型
struct SimpleData {
    int value;
};


// 请修改下面的 requires 子句
template <typename T>
requires /* 在这里填入正确的组合概念 */
void processData(const T& data) {
    std::cout << "Processing data: " << data.toString() << " (Value is signed integral)" << std::endl;
}


int main() {
    // 编译成功的例子 (需要你正确填写 requires 子句)
    // MyInt a = -10; // 假设 MyInt 是一个同时满足 signed_integral 和 HasToString 的类型
    // processData(a);

    // 编译失败的例子
    // int b = 5;         // 满足 signed_integral 但不满足 HasToString
    // unsigned int c = 5; // 不满足 signed_integral
    // SimpleData d{1};  // 不满足 signed_integral 也不满足 HasToString
    // MyData e{2};      // 满足 HasToString 但不满足 signed_integral (因为 MyData 不是整数类型)

    std::cout << "请在代码中填写 requires 子句并尝试编译/运行合适的例子。" << std::endl;

    return 0;
}

请你在 /* 在这里填入正确的组合概念 */ 这部分填入正确的代码，使得 processData 函数能够正确地约束模板参数 T。完成后请把你的答案告诉我。

c++

#include <concepts>

#include <iostream>

#include <string>

#include <vector>  // 只是为了让 HasToString 有个例子

  

// 假设这个概念检查类型是否有 toString() 成员函数

template <typename T>

concept HasToString = requires(T obj) {

    { obj.toString() } -> std::convertible_to<std::string>;

};

  

// 一个满足 HasToString 的示例类型 (仅用于演示)

struct MyData {

    int value;

    std::string toString() const {

        return "MyData{" + std::to_string(value) + "}";

    }

};

  

// 一个不满足 HasToString 的示例类型

struct SimpleData {

    int value;

};

  

// 请修改下面的 requires 子句

template <typename T>

    requires std::signed_integral<T> && HasToString<T>

void processData(const T& data) {

    std::cout << "Processing data: " << data.toString()

              << " (Value is signed integral)" << std::endl;

}

  

int main() {

    // 编译成功的例子 (需要你正确填写 requires 子句)

    // MyInt a = -10; // 假设 MyInt 是一个同时满足 signed_integral 和

    // HasToString 的类型 processData(a);

  

    // 编译失败的例子

    // int b = 5;         // 满足 signed_integral 但不满足 HasToString

    // unsigned int c = 5; // 不满足 signed_integral

    // SimpleData d{1};  // 不满足 signed_integral 也不满足 HasToString

    // MyData e{2};      // 满足 HasToString 但不满足 signed_integral (因为

    // MyData 不是整数类型)

  

    std::cout << "请在代码中填写 requires 子句并尝试编译/运行合适的例子。"

              << std::endl;

  

    return 0;

}

7. 评价你的解答、正确答案和解释

评价:

你的解答非常棒！完全正确！

评级： 5/5 ⭐⭐⭐⭐⭐ (满分!)

正确答案：

你给出的答案正是标准答案：

C++

Code

template <typename T>
requires std::signed_integral<T> && HasToString<T>
void processData(const T& data) {
    // ... 函数体 ...
}

解释：

练习要求类型 T 必须同时 满足两个条件：

1. 是有符号整数 (std::signed_integral<T>)
2. 满足 HasToString<T> 概念

因为要求是 “同时满足”，所以我们需要使用 逻辑与 (AND) 运算符 && 来组合这两个概念。

• std::signed_integral<T> 确保了类型 T 是像 int, short, long, long long 这样的有符号整数类型，但不包括 unsigned int 或 char (char 的符号性是实现定义的)。
• HasToString<T> 确保了类型 T 有一个名为 toString 的成员函数，并且该函数的返回值可以转换成 std::string。
• && 将这两个要求连接起来，只有当一个类型 既是 有符号整数 又 拥有 toString 方法时，它才能被用于 processData 函数。

如果使用 || (逻辑或)，那么只需要满足其中一个条件即可，这不符合题意。如果只写其中一个概念，则会漏掉另一个约束条件。

关于示例代码的一个说明:

你可能注意到 main 函数里的成功示例 MyInt a = -10; 被注释掉了。这是因为标准的 C++ 整数类型（如 int, long）本身并没有 toString() 成员函数。而我们定义的 MyData 类型有 toString()，但它不是一个整数类型 (integral)。因此，要找到一个同时满足 std::signed_integral 和我们定义的 HasToString 的类型，通常需要我们自己自定义一个类型（比如创建一个像 MyInt 的类，它包装了一个整数并提供了 toString 方法）。这是概念组合威力的体现——我们可以定义非常具体和定制化的类型要求！

8. 扩展问题与探索建议 (Extended Questions & Suggestions)

你已经掌握了组合概念的基础，非常棒！如果你想继续深入，可以尝试探索以下问题：

1. 探索更多标准概念： <concepts> 头文件里还有很多有用的预定义概念。尝试查找并理解以下概念的作用：

   • std::totally_ordered<T>：要求类型 T 支持全序比较（<, >, <=, >=）。
   • std::invocable<F, Args...>：要求类型 F (通常是函数或函数对象) 可以用参数 Args... 来调用。
   • std::derived_from<Derived, Base>：要求类型 Derived 是从类型 Base 公有继承而来的。
   • std::same_as<T, U>：要求类型 T 和 U 是同一种类型。
   • 思考一下，这些概念可以如何组合来表达更复杂的约束？

2. 定义更复杂的概念： 尝试自己定义一个概念，它不仅检查某个成员函数是否存在（语法要求），还检查该函数的返回值是否满足另一个概念（结合嵌套要求或 requires 表达式）。例如，定义一个 HasIntegralSize 概念，要求类型有一个 size() 成员函数，并且 size() 的返回值必须是一个整数类型 (std::integral)。

3. 实现 MyInt 类型： 尝试动手创建一个简单的 MyInt 类，让它包装一个 int 值，并实现 toString() 方法。然后用你的 MyInt 类型来成功调用 processData 函数。

4. 不同的概念语法： C++20 提供了几种不同的语法来应用概念约束，除了我们使用的 requires 子句，还有：

   • 拖尾 requires 子句 (Trailing requires clause): template <typename T> T func(T p) requires Concept<T> { ... }
   • 约束模板参数 (Constrained template parameter): template <MyConcept T> T func(T p) { ... } 或者 template <std::integral T> T func(T p) { ... } (直接用概念名代替 typename 或 class)
   • 研究一下这些不同语法的优缺点和适用场景。

继续努力，C++ 的世界还有很多有趣的东西等待你去发现！