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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。
struct S_implicit {
void foo() {}
};
struct S_explicit {
void foo(this S_explicit&) {}
};
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：
// Before
struct S_implicit {
int data_;
int& foo() & { return data_; }
const int& foo() const& { return data_; }
};
// After
struct S_explicit {
int data_;
template <class Self>
auto&& foo(this Self& self) {
return std::forward<Self>(self).data_;
}
};
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。
int main() {
auto gcd = [](this auto self, int a, int b) -> int {
return b == 0 ? a : self(b, a % b);
};
std::cout << gcd(20, 30) << &#34;\n&#34;;
}
这使得Lambda函数再次得到增强。
又比如，借助Deducing this，可以简化CRTP。
//// Before
// CRTP
template <class Derived>
struct Base {
void foo() {
auto& self = *static_cast<Derived*>(this);
self.bar();
}
};
struct Derived : Base<Derived> {
void bar() const {
std::cout << &#34;CRTP Derived\n&#34;;
}
};
////////////////////////////////////////////
//// After
// Deducing this
struct Base {
template <class Self>
void foo(this Self& self) {
self.bar();
}
};
struct Derived : Base {
void bar() const {
std::cout << &#34;Deducing this Derived\n&#34;;
}
};
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：
// Library
namespace mylib {
struct S {
auto abstract_interface(this auto& self, int param) {
self.concrete_algo1(self.concrete_algo2(param));
}
};
} // namespace mylib
namespace userspace {
struct M : mylib::S {
auto concrete_algo1(int val) {}
auto concrete_algo2(int val) const {
return val * 6;
}
};
} // namespace userspace
int main() {
using userspace::M;
M m;
m.abstract_interface(4);
}
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：
#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <utility> // for std::forward_like
auto get_message() {
return 42;
}
struct Scheduler {
auto submit(auto&& m) {
std::cout << std::boolalpha;
std::cout << std::is_lvalue_reference<decltype(m)>::value << &#34;\n&#34;;
std::cout << std::is_rvalue_reference<decltype(m)>::value << &#34;\n&#34;;
return m;
}
};
int main() {
Scheduler scheduler;
auto callback = [m=get_message(), &scheduler](this auto&& self) -> bool {
return scheduler.submit(std::forward_like<decltype(self)>(m));
};
callback(); // retry(callback)
std::move(callback)(); // try-or-fail(rvalue)
}
// Output:
// true
// false
// false
// 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：
struct S {
int data_;
int foo(); // implicit this pointer
// int foo(this S); // Pass this by value
};
int main() {
S s{42};
return s.foo();
}
// implicit this pointer生成的汇编代码：
// sub rsp, 40 ; 00000028H
// lea rcx, QWORD PTR s$[rsp]
// mov DWORD PTR s$[rsp], 42 ; 0000002aH
// call int S::foo(void) ; S::foo
// add rsp, 40 ; 00000028H
// ret 0
// Pass this by value生成的汇编代码：
// mov ecx, 42 ; 0000002aH
// 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：
// Before
if (opt_string) {
std::optional<int> i = stoi(*opt_string);
}
// After
std::optional<int> i = opt_string.and_then(stoi);
一个使用的小例子：
// chain a series of functions until there&#39;s an error
std::optional<string> opt_string(&#34;10&#34;);
std::optional<int> i = opt_string
.and_then(std::stoi)
.transform([](auto i) { return i * 2; });
错误的情况：
// fails, transform not called, j == nullopt
std::optional<std::string> opt_string_bad(&#34;abcd&#34;);
std::optional<int> j = opt_string_bad
.and_then(std::stoi)
.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：
enum class Status : uint8_t {
Ok,
connection_error,
no_authority,
format_error,
};
bool connected() {
return true;
}
bool has_authority() {
return false;
}
bool format() {
return false;
}
std::expected<std::string, Status> read_data() {
if (!connected())
return std::unexpected<Status> { Status::connection_error };
if (!has_authority())
return std::unexpected<Status> { Status::no_authority };
if (!format())
return std::unexpected<Status> { Status::format_error };
return {&#34;my expected type&#34;};
}
int main() {
auto result = read_data();
if (result) {
std::cout << result.value() << &#34;\n&#34;;
} else {
std::cout << &#34;error code: &#34; << (int)result.error() << &#34;\n&#34;;
}
}
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：
template <class T, size_t R, size_t C>
struct matrix {
T& operator[](const size_t r, const size_t c) noexcept {
return data_[r * C + c];
}
const T& operator[](const size_t r, const size_t c) const noexcept {
return data_[r * C + c];
}
private:
std::array<T, R * C> data_;
};
int main() {
matrix<int, 2, 2> m;
m[0, 0] = 0;
m[0, 1] = 1;
m[1, 0] = 2;
m[1, 1] = 3;
for (auto i = 0; i < 2; ++i) {
for (auto j = 0; j < 2; ++j) {
std::cout << m[i, j] << &#39; &#39;;
}
std::cout << std::endl;
}
}
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。
consteval auto bar(int m) {
return m * 6;
}
constexpr auto foo(int m) {
return bar(m);
}
int main() {
[[maybe_unused]] auto res = foo(42);
}
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。
constexpr auto foo(int m) {
if (std::is_constant_evaluated()) {
return bar(m);
}
return 42;
}
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：
constexpr auto foo(int m) {
if consteval {
return bar(m);
}
return 42;
}
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：
#include <print>
int main() {
const char* world = &#34;world&#34;;
std::print(&#34;Hello {}&#34;, world); // doesn&#39;t print a newline
std::println(&#34;Hello {}&#34;, world); // print a newline
}
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(&#34;{}\n&#34;, 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：
print(&#34;how you doing&#34;.split(&#34; &#34;))
# Output:
# [&#39;how&#39;, &#39;you&#39;, &#39;doing&#39;]Java的实现：
import java.util.Arrays;
class Main {
public static void main(String args[]) {
System.out.println(&#34;how you doing&#34;.split(&#34; &#34;));
System.out.println(Arrays.toString(&#34;how you doing&#34;.split(&#34; &#34;)));
}
}
// Output:
// [Ljava.lang.String;@2b2fa4f7
// [how, you, doing]Rust的实现：
use itertools::Itertools;
fn main() {
println!(&#34;{:?}&#34;, &#34;How you doing&#34;.split(&#39; &#39;));
println!(&#34;[{}]&#34;, &#34;How you doing&#34;.split(&#39; &#39;).format(&#34;, &#34;));
println!(&#34;{:?}&#34;, &#34;How you doing&#34;.split(&#39; &#39;).collect::<Vec<_>>());
}
// Output:
// Split(SplitInternal { start: 0, end: 13, matcher: CharSearcher { haystack: &#34;How you doing&#34;, finger: 0, finger_back: 13, needle: &#39; &#39;, utf8_size: 1, utf8_encoded: [32, 0, 0, 0] }, allow_trailing_empty: true, finished: false })
// [How, you, doing]
// [&#34;How&#34;, &#34;you&#34;, &#34;doing&#34;]
JS的实现：
console.log(&#39;How you doing&#39;.split(&#39; &#39;))
// Output:
// [&#34;How&#34;, &#34;you&#34;, &#34;doing&#34;]
Go的实现：
package main
import &#34;fmt&#34;
import &#34;strings&#34;
func main() {
fmt.Println(strings.Split(&#34;How you doing&#34;, &#34; &#34;));
}
// Output:
// [How you doing]
Kotlin的实现：
fun main() {
println(&#34;How you doing&#34;.split(&#34; &#34;));
}
// Output:
// [How, you, doing]C++的实现：
int main() {
std::string_view contents {&#34;How you doing&#34;};
auto words = contents
| std::views::split(&#39; &#39;)
| std::views::transform([](auto&& str) {
return std::string_view(&*str.begin(), std::ranges::distance(str));
});
std::cout << &#34;[&#34;;
char const* delim = &#34;&#34;;
for (auto word : words) {
std::cout << delim;
std::cout << std::quoted(word);
delim = &#34;, &#34;;
}
std::cout << &#34;]\n&#34;;
}
// Output:
// [&#34;How&#34;, &#34;you&#34;, &#34;doing&#34;]
借助fmt，可以简化代码：
int main() {
std::string_view contents {&#34;How you doing&#34;};
auto words = contents
| std::views::split(&#39; &#39;)
| std::views::transform([](auto&& str) {
return std::string_view(&*str.begin(), std::ranges::distance(str));
});
fmt::print(&#34;{}\n&#34;, words);
fmt::print(&#34;<<{}>>&#34;, fmt::join(words, &#34;--&#34;));
}
// Output:
// [&#34;How&#34;, &#34;you&#34;, &#34;doing&#34;]
// <<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：
int main() {
std::string_view contents {&#34;How you doing&#34;};
auto words = contents | std::views::split(&#39; &#39;);
fmt::print(&#34;{}\n&#34;, words);
fmt::print(&#34;<<{}>>&#34;, fmt::join(words, &#34;--&#34;));
}
// Output:
// [[H, o, w], [y, o, u], [d, o, i, n, g]]
// <<[&#39;H&#39;, &#39;o&#39;, &#39;w&#39;]--[&#39;y&#39;, &#39;o&#39;, &#39;u&#39;]--[&#39;d&#39;, &#39;o&#39;, &#39;i&#39;, &#39;n&#39;, &#39;g&#39;]>>
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：
import std;
int main() {
std::print(&#34;Hello standard library modules!\n&#34;);
}
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：
// Before
int old_c_api(int**);
int main() {
auto up = std::make_unique<int>(5);
int* up_raw = up.release();
if (int ec = foreign_resetter(&up)) {
return ec;
}
up.reset(up_raw);
}
////////////////////////////////
// After
int old_c_api(int**);
int main() {
auto up = std::make_unique<int>(5);
if (int ec = foreign_resetter(std::inout_ptr(up))) {
return ec;
}
// *up is still valid
}
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：
void bar(const auto&);
void foo(const auto& param) {
auto copy = param;
bar(copy);
}
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：
void foo(const auto& param) {
bar(std::decay_t<decltype(param)>{param});
}
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：
void foo(const auto& param) {
bar(auto{param});
}
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。
void pop_front_alike(auto& container) {
std::erase(container, container.front());
}
int main() {
std::vector fruits{ &#34;apple&#34;, &#34;apple&#34;, &#34;cherry&#34;, &#34;grape&#34;,
&#34;apple&#34;, &#34;papaya&#34;, &#34;plum&#34;, &#34;papaya&#34;, &#34;cherry&#34;, &#34;apple&#34;};
pop_front_alike(fruits);
fmt::print(&#34;{}\n&#34;, fruits);
}
// Output:
// [&#34;cherry&#34;, &#34;grape&#34;, &#34;apple&#34;, &#34;papaya&#34;, &#34;plum&#34;, &#34;papaya&#34;, &#34;apple&#34;]
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，请容许我再提醒一下：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：
[&#34;cherry&#34;, &#34;grape&#34;, &#34;papaya&#34;, &#34;plum&#34;, &#34;papaya&#34;, &#34;cherry&#34;]是哪里出了问题呢？让我们来看看gcc std::erase()的实现：
template<typename _ForwardIterator, typename _Predicate>
_ForwardIterator
__remove_if(_ForwardIterator __first, _ForwardIterator __last,
_Predicate __pred)
{
__first = std::__find_if(__first, __last, __pred);
if (__first == __last)
return __first;
_ForwardIterator __result = __first;
++__first;
for (; __first != __last; ++__first)
if (!__pred(__first)) {
*__result = _GLIBCXX_MOVE(*__first);
++__result;
}
return __result;
}
template<typename _Tp, typename _Alloc, typename _Up>
inline typename vector<_Tp, _Alloc>::size_type
erase(vector<_Tp, _Alloc>& __cont, const _Up& __value)
{
const auto __osz = __cont.size();
__cont.erase(std::remove(__cont.begin(), __cont.end(), __value),
__cont.end());
return __osz - __cont.size();
}
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（P1401R5）
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：
auto callback = [m = get_message(), &scheduler](this auto&& self) -> bool {
return scheduler.submit(std::forward_like<decltype(self)>(m));
};
callback(); // retry(callback)
std::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：
#ifndef FOO
#warning &#34;FOO defined, performance might be limited&#34;
#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：
constexpr auto fun() {
auto p = std::make_unique<int>(4);
return *p;
}
int main() {
constexpr auto i = fun();
static_assert(4 == i);
}
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：
std::string str(&#34;dummy text&#34;);
if (str.contains(&#34;dummy&#34;)) {
// do something
}
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。
std::string s { nullptr }; // error!
std::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：
int main() {
std::vector v { &#39;a&#39;, &#39;b&#39;, &#39;c&#39; };
// Before
std::string_view sv(v.begin(), v.end());
// After
std::string_view sv23 { v };
}
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：
template< class Operation >
constexpr void resize_and_overwrite( size_type count, Operation op );
可以通过提案中的一个示例来理解：
int main() {
std::string s { &#34;Food: &#34; };
s.resize_and_overwrite(10, [](char* buf, int n) {
return std::find(buf, buf + n, &#39;:&#39;) - buf;
});
std::cout << std::quoted(s) << &#39;\n&#39;; // &#34;Food&#34;
}
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。
constexpr std::string_view fruits[] {&#34;apple&#34;, &#34;banana&#34;, &#34;coconut&#34;, &#34;date&#34;, &#34;elderberry&#34;};
std::string s1 { &#34;Food: &#34; };
s1.resize_and_overwrite(16, [sz = s1.size()](char* buf, std::size_t buf_size) {
const auto to_copy = std::min(buf_size - sz, fruits[1].size()); // 6
std::memcpy(buf + sz, fruits[1].data(), to_copy); // append &#34;banana&#34; to s1.
return sz + to_copy; // 6 + 6
});
std::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：
#define ASSERT_EQUAL(a, b) assert(a == b)
#define ASSERT(a) assert(a)
int main() {
char input[] = &#34;10 20 30&#34;;
std::ispanstream is{ std::span<char>{input} };
int i;
is >> i;
ASSERT_EQUAL(10,i);
is >> i;
ASSERT_EQUAL(20,i);
is >> i;
ASSERT_EQUAL(30,i);
is >> i;
ASSERT(!is);
}
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：
void foo(int a) {
switch (a) {
case 1:
// do something
break;
case 2:
// do something
break;
default:
std::unreachable();
}
}
bool is_valid(int a) {
return a == 1 || a == 2;
}
int main() {
int a = 0;
while (!is_valid(a))
std::cin >> a;
foo(a);
}
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：
void print_day(int a) {
fmt::print(&#34;{}\n&#34;, a);
}
enum class Day : std::uint8_t {
Monday = 1,
Tuesday,
Wednesday,
Thursday,
Friday,
Saturday,
Sunday
};
int main() {
// Before
print_day(static_cast<std::underlying_type_t<Day>>(Day::Monday));
// C++23
print_day(std::to_underlying(Day::Friday));
}
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：
template <std::integral T>
void print_hex(T v)
{
for (std::size_t i = 0; i < sizeof(T); ++i, v >>= 8)
{
fmt::print(&#34;{:02X} &#34;, static_cast<unsigned>(T(0xFF) & v));
}
std::cout << &#39;\n&#39;;
}
int main()
{
unsigned char a = 0xBA;
print_hex(a); // BA
print_hex(std::byteswap(a)); // BA
unsigned short b = 0xBAAD;
print_hex(b); // AD BA
print_hex(std::byteswap(b)); // BA AD
int c = 0xBAADF00D;
print_hex(c); // 0D F0 AD BA
print_hex(std::byteswap(c)); // BA AD F0 0D
long long d = 0xBAADF00DBAADC0FE;
print_hex(d); // FE C0 AD BA 0D F0 AD BA
print_hex(std::byteswap(d)); // BA AD F0 0D BA AD C0 FE
}
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：
void foo() {
auto trace = std::stacktrace::current();
std::cout << std::to_string(trace) << &#39;\n&#39;;
}
int main() {
foo();
}
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。
// Before
char buffer[1024];
std::pmr::monotonic_buffer_resource pool{
std::data(buffer), std::size(buffer)};
std::basic_stacktrace<
std::pmr::polymorphic_allocator<std::stacktrace_entry>>
trace{&pool};
// After
char buffer[1024];
std::pmr::monotonic_buffer_resource pool{
std::data(buffer), std::size(buffer)};
std::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：
#if defined(__clang__)
#define ASSUME(expr) __builtin_assume(expr)
#elif defined(__GNUC__) && !defined(__ICC)
#define ASSUME(expr) if (expr) {} else { __builtin_unreachable(); }
#elif defined(_MSC_VER) || defined(__ICC)
#define ASSUME(expr) __assume(expr)
#endif
论文当中的一个例子：
void limiter(float* data, size_t size) {
ASSUME(size > 0);
ASSUME(size % 32 == 0);
for (size_t i = 0; i < size; ++i) {
ASSUME(std::isfinite(data));
data = std::clamp(data, -1.0f, 1.0f);
}
}
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：
// Any attribute so specified does not appertain to the function
// call operator or operator template itself, but its type.
auto lam = [][[nodiscard]] ->int { return 42; };
int main()
{
lam();
}
// Output:
// <source>: In function &#39;int main()&#39;:
// <source>:12:8: warning: ignoring return value of &#39;<lambda()>&#39;, declared with attribute &#39;nodiscard&#39; [-Wunused-result]
// 12 | lam();
// | ~~~^~
// <source>:8:12: note: declared here
// 8 | auto lam = [][[nodiscard]] ->int { return 42; };
// | ^
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：
// Not allow
[[nodiscard, nodiscard]] auto foo() {
return 42;
}
// Allowed
[[nodiscard]][[nodiscard]] auto foo() {
return 42;
}
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。
double j = 42.0;
// ...
auto counter = [j = 0]() mutable -> decltype(j) {
return j++;
};
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：
auto counter = [j=0]() mutable -> decltype(j) {
return j++;
};
// Output:
// <source>:6:44: error: use of undeclared identifier &#39;j&#39;
// auto counter = [j=0]() mutable -> decltype(j) {
// ^
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：
template <typename T> int bar(int&, T&&); // #1
template <typename T> void bar(int const&, T&&); // #2
int i;
auto f = [=](auto&& x) -> decltype(bar(i, x)) {
return bar(i, x);
}
f(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：
#include <vector>
int main() {
std::vector<int> v{0, 1, 2, 3};
for (auto i = 0u, s = v.size(); i < s; ++i) {
/* use both i and v */
}
}
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：
<source>(5): error C3538: in a declarator-list &#39;auto&#39; must always deduce to the same type
<source>(5): note: could be &#39;unsigned int&#39;
<source>(5): note: or &#39;unsigned __int64&#39;
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。
#include <vector>
int main() {
std::vector<int> v{0, 1, 2, 3};
for (auto i = 0uz, s = v.size(); i < s; ++i) {
/* use both i and v */
}
}
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。
int main()
{
std::vector v = {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12};
// View data as contiguous memory representing 2 rows of 6 ints each
auto ms2 = std::experimental::mdspan(v.data(), 2, 6);
// View the same data as a 3D array 2 x 3 x 2
auto ms3 = std::experimental::mdspan(v.data(), 2, 3, 2);
// write data using 2D view
for(size_t i=0; i != ms2.extent(0); i++)
for(size_t j=0; j != ms2.extent(1); j++)
ms2[i, j] = i*1000 + j;
// read back using 3D view
for(size_t i=0; i != ms3.extent(0); i++)
{
fmt::print(&#34;slice @ i = {}\n&#34;, i);
for(size_t j=0; j != ms3.extent(1); j++)
{
for(size_t k=0; k != ms3.extent(2); k++)
fmt::print(&#34;{} &#34;, ms3[i, j, k]);
fmt::print(&#34;\n&#34;);
}
}
}
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：
slice @ i = 0
0 1
2 3
4 5
slice @ i = 1
1000 1001
1002 1003
1004 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 Conclusion
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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发表于 2023-2-6 13:55:10