c++ 17介绍

作者：hearts zh
链接：https://www.zhihu.com/question/32222337/answer/55238928
来源：知乎
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其实现在的proposal很多很多，不出意外也会有相当一部分没时间加进c++17。c++17会是一个大更新，下一个小修补会是c++20

我个人认为从发展角度来说，c++目前最需要的，是module，网络库，以及更完善的并行库。我只稍微搬一下Stroustrup桑今年最新提交的提案，提到了他认为的c++17是需要包括哪些东西。

全文具体链接。
http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4492.pdf

首先，C++永久性的目的就是运行效率。无论怎么设计都不会违背这一点。

Whatever we do, we should preserve C++’s fundamental strengths:
• A direct map to hardware (initially from C)
• Zero-overhead abstraction (initially from Simula)
Depart from these and the language is no longer C++.

1. 关于大规模软件系统的支持

• Modules：不出意外，这个呼声太高了。不但是编译速度，就连最基础的One Definition Rule的各种规则都能搞死人。最新的2篇modules提案：
  http://www.open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2015/n4465.pdfhttp://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4466.pdf说起来简单，实现起来麻烦。目前提案者正在Visual C++中实现这些提案。因为这个呼声很高，有理由相信进入c++17的可能性很大。虽然目前进展还不是很快的感觉。看proposal目前还有一些小的design decision没有明确下来，例如是否需要interface这个关键字之类的。
  
  有了modules写出来的代码是什么样子呢，大概是这个样子，
  
  

  import std.vector;
  import std.string;
  import std.iostream;
  import std.iterator;
  

  
  怎样写module呢？
  
  

  //abc.cpp （文件名无需和module名重合）
  module abc;
  struct internal {  };
  int internal_f() {  }
  export namespace abc 
  {
    class abc { };
  }
  

  
  注意C++的module仅仅只是编译范畴的，并不是二进制范畴的。效率为王。

• Contracts：经过11年被洗礼之后，这次加进来问题应该不大了。最新的提案：
  
  http://www.open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2015/n4415.pdf
  
  出来时间比较久了，大家也都知道是干嘛的，也有刘雨培童鞋说过最新提案，我就不多说了，其实Contracts简化后也是蛮复杂的，但基本上即使你从没接触过，读懂别人写的代码的难度也不大。
• A type-safe union：也就是variant，基本上是在往functional-programming上靠。
  
  Stroustrup桑还给了一个链接，13年他的一个学生（？）的论文，一个c++的pattern matching库，蛮坑的。我觉得不进行大改善，这个pattern matching库进入c++的标准可能性不大。
  
  好奇的童鞋们不用找了，我拷个最简单的例子出来。有了variant之后，这个match库可以match类型+值。不过仅仅是库而不是语言层面的支持，真是不伦不类啊。
  
  

  int factorial(int n) {
    int m;
    Match(n) {
      Case (1) return 0;
      Case (m) return m*factorial(m-1);
      Case (_) throw std::invalid_argument(""); 
    } EndMatch
  }
  

2. 关于并行

• 基础网络库：这个太需要了，没有基础网络库，其他任何网络相关的操作都是空中楼阁。
  
  基于boost::asio的最新提案，
  
  http://open-std.org/JTC1/SC22/WG21/docs/papers/2015/n4478.html
  
  boost::asio的async模型基本是callback。但这个proposal其实并不是简单的boost::asio直接拷贝过来，除了基本的asio之外，还基于future和co-routine加了不少料。
  
  例如，基于future的async模型，
  
  

  std::future<std::size_t> fut =
    socket.async_read_some(buffer(buffer_space), use_future);
  
  // ...
  
  std::size_t length = fut.get();
  

  复杂一点还可以这样，
  
  

  socket.async_read_some(buffer(buffer_space), use_future).then([](std::size_t) {});
  

  
  例如，基于co-routine的async模型（例子是stackful的，stackless需要语言层面支持）。
  
  

  void coro_connection(tcp::socket& socket, yield_context yield)
  {
    try
    {
      std::vector<char> buffer_space(1024);
      for (;;)
      {
        std::size_t length = socket.async_read_some(buffer(buffer_space), yield);
        uppercase(buffer_space.begin(), buffer_space.begin() + length);
        async_write(socket, buffer(buffer_space, length), yield);
      }
    }
    catch (std::system_error& e)
    {
      // ...
    }
  }
  

  基本上可以看出网络库是一个async模型的大杂烩，只要你有，我就支持。
  
  最后，这个proposal还加了一些高级的库（无需关注底层细节）。
  
  

  tcp::iostream s("www.boost.org", "http");
  
  s << "GET / HTTP/1.0
  ";
  s << "Host: www.boost.org
  ";
  s << "Accept: */*
  ";
  s << "Connection: close
  
  ";
  
  std::string header;
  while (std::getline(s, header) && header != "
  ")
    std::cout << header << "
  ";
  std::cout << s.rdbuf();
  

• SIMD vector：数学计算啊，游戏啊，没什么好说的，研究这方面的自然懂，不研究的这个概念也没啥复杂的。下面这个提案提出一个matrix 类，乘法等操作利用simd搞计算。
  
  http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2015/n4492.pdf
• Improved Future: 基本上都是微软根据.Net经验提出来的。就比如网络库的.then，就是基于此。你可以async_read( ).then().then().then()，等等。具体看proposal吧，蛮简单易懂的。
  
  http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2014/n3857.pdf
• Co-routines：主体也是微软搞出来的提案，基本和.net一样的语法。在VC++上已经有实现。本来这东西就分stackful还是stackless。微软应该是比较倾向于stackless的，google一人也提出了stackful和stackless的语法可以统一的一个提案。具体还未定。很可能是都支持，用户可自由选择的。其实微软的提案还是比较吸引人。关键字：await，yield
  
  https://isocpp.org/files/papers/N4402.pdf
  
  我要多说一些，因为蛮有意思，
  
  复制一下微软的design goal：
  
  * Highly scalable (to billions of concurrent coroutines)
  * Highly efficient resume and suspend operations comparable in cost to a function call overhead
  * Seamless interaction with existing facilities with no overhead
  * Open ended coroutine machinery allowing library designers to develop coroutine libraries exposing various high-level semantics, such as generators, goroutines, tasks and more
  * Usable in environments where exception are forbidden or not available
  
  就看他的design goal就很想敢用了
  
  写出来的代码什么样子呢？await和yield关键字其实.net, python啊，java啊之类的也都有，没什么好解释的，要说下generator和goroutine，你没看错，是类Go语言的goroutine支持。
  
  generator:
  

  generator<int> fib(int n) {
    int a = 0;
    int b = 1;
    while (n-- > 0) {
      yield a;
      auto next = a + b;
      a = b;
      b = next;
    }
  }
  

  goroutine:
  

  goroutine pusher(channel<int>& left, channel<int>& right)
  {
    for(;;) {
      auto val = await left.pull();
      await right.push(val + 1);
    }
  }
  int main() {
    static const int N = 1000 * 1000;
    std::vector<channel<int>> c(N + 1);
    for(int i = 0; i < N; ++i)
      goroutine::go(pusher(c[i], c[i + 1]));
    c.front().sync_push(0);
    std::cout << c.back().sync_pull() << std::endl;
  }
  

  
  
  
• Trasactional Memory: 底部支持，没什么好说的。基本是板上钉钉。
• Parallel STL
  
  基本上就是并行实现的stl，可以选择模式，例如sort
  
  

  sort(begin(v), end(v)); //无并行
  sort(seq, begin(v), end(v)); //无并行
  sort(pal, begin(v), end(v)); //并行
  sort(par_vec, begin(v), end(v)); //并行矢量化
  execution_policy exec=seq; //动态决定
  if (v.size() > 1000) exec = par;
  sort(exec, begin(v), end(v));
  

3. 语言用法简化

• Concepts: 不说了
• Ranges: 也有童鞋说过了，不说了。总体来说ranges就是一对数[i, j),或者一对iterator。需要对STL库进行添加支持针对Ranges的操作。例如你可以sort(v),而无需sort(begin(v), end(v))
• Default comparisons：就是说会自动生成operator >, ==之类的。对用户自定义move或者copy的不会自动生成。
• Uniform call syntex：也有童鞋说过了。
  
  目前这个提案大概是确认了：如果f(x,y),那么就先找函数，如果函数没有，再找x.f(y)。而x.f(y)相反，找不到类x的f函数，再去找 f(x,y)函数。也有另外一个选择，就是x.f(y)和f(x,y)所有符合的全部放到一起然后做overloading resolution。这样可能会破坏现有的代码。还有2年时间可以讨论选哪种。
  
  
• Operator dot： 没什么可说的
• array_view和string_view: 蛮有意思的东西。
  
  假设你有一个字符串“abcde, xyz"，目前来说，如果你实现一个函数，从逗号分割这个字符串，你会得到2个字符串"abcd", "xyz"。但如果有了string_view，你会得到2个string_view，每个string_view里面是一个(start, size)对，这样就节省了多个字符串拷贝。
  
  array_view可以更有意思，
  

  auto M = 32;
  auto N = 64;
  auto v = vector<float>(M * N);
  auto av = array_view<float, 2>({M, N}, v);
  

  你要问为啥不直接 vector<vector<float>>，因为这样无法保证内存连续分配啊。
  
  
• stack_array：还没有proposal
• optional，和variant类似吧。目前没有proposal，除非pattern matching被加到c++17中去了，否则不太可能17里实现。

以上就是stroustrup桑眼里的c++17应该大概支持这些。当然不是一个完整列表，不包括一些库的改进和语法小改进。

 

 

 

不要想啦，C++ 17 毛都没有。。。没有 Module， 没有 Coroutine， 没有 Ranges，没有 Reflection，没有 Contracts，没有……
唯一有希望的 Concepts 争议很大。。也玄。
Network TS 也玄。
所以，……

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我的天，看到这个问题我激动得不知道说些什么好。在 BS 的那篇 Thoughts about C++ 17 里面已经提到了很多提案了。我说一点我研究过的吧，算是抛砖引玉：
先说一些开胃菜吧。

• 模板的模板参数允许使用 typename（之前仅允许使用 class）
• 修改了 initializer_list 的推导原则：

For copy-list-initialization, auto deduction will either deduce a std::initializer_list (if the types of entries in the braced-init-list are all identical) or be ill-formed otherwise.

For direct list-initialization:
1.For a braced-init-list with only a single element, auto deduction will deduce from that entry;
2.For a braced-init-list with more than one element, auto deduction will be ill-formed.

• 还解决了迷之 ill-formed/UB（这个详细请自行阅读http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2014/n4089.pdf）

unique_ptr<Foo const * const []> ptr1(new Foo*[10]); 
Foo const * ptr = ptr1[9];  

• 嵌套的 namespace:

namespace A::B::C {
    //…
} 

相当于：

namespace A {
    namespace B {
        namespace C {
            //…
        }
    }
} 

• Fold Expressions：

template<typename... T>

auto sum(T... s){

    return (... + s);

} 

再说说大的：

• Concepts

在CppCon 2014里面BS发表了主题为 Make Simple Things Simple 的演讲，里面提到了Concepts。根据他的意思，我们以后可以这么写代码：
注意！Sortable可不是Java/C#里的Interface，它叫做Concept。

• Module

对于Module也可以说是呼声极高了，可以大幅加快编译速度，带来相当多的好处，不过我对于Module的提案没有太多研究。

• Contracts

Contracts 目前的提案是N4415。大概意思就是为每个函数指定一个 pre-conditions 与 post-conditions。大概像是这样：

T& operator[](size_t i) [[expects: i < size()]]; 

ArrayView(const vector<T>& v) [[ensures: data() == v.data()]];   

那么不满足这些conditions会发生什么呢？提案中说是“implemention-defined”。而且应该允许每个TU独立打开所有的测试，关闭所有，打开/关闭pre，打开关闭post。

• Unified Call Syntax

这个真的是太优美了。HS和BS分别提了一篇提案，后来俩人又一起弄了一篇提案。这个说的是什么呢，就是统一f(x,y)与x.f(y)，这样就不用std::begin一个，container.begin()又一个了。HS的提案中提到了这样的应用场景：

void f(FILE* file)
{
   fseek(file,9,SEEK_SET);
}

//proposed new C++ code
void f(FILE* file)
{
    file->fseek(9,SEEK_SET); //nice autocomplete after "->"
}

不过现在这个提案还有很多细节在商讨。
说了一些我了解的Core Language特性，说一些库的东西吧！先说点小东西

• std::invoke

让我们看看如何实现一个apply:

template <class F, class Tuple, std::size_t... I>
constexpr decltype(auto) apply_impl(F&& f, Tuple&& t, std::index_sequence<I...>)
{
	return std::invoke(std::forward<F>(f), std::get<I>(std::forward<Tuple>(t))...);
	// Note: std::invoke is a C++17 feature
}
template <class F, class Tuple>
constexpr decltype(auto) apply(F&& f, Tuple&& t)
{
	return apply_impl(std::forward<F>(f), std::forward<Tuple>(t),
		std::make_index_sequence < std::tuple_size<std::decay_t<Tuple>>::value > {});
} 

INVOKE的概念一直在标准里面，这回终于有了真正的invoke了。

• void_t

有了Expression SFINAE和void_t，写模板真的是方便了太多了。就像这样：

template<typename Iterator,
			typename = void>
	struct reference_type
	{
		using type = decltype(*declval<Iterator>()); // no reference, use operator*
	};

	template<typename Iterator>
	struct reference_type<Iterator,
		void_t<typename Iterator::reference>
	>
	{
		using type = typename Iterator::reference; //I have a reference
	}; 

再说说大的。目前这些都属于 TS 。

• 利用variable templates：

namespace std {
namespace experimental {
inline namespace fundamentals_v2 {

  // See C++14 §20.10.4.1, primary type categories
  template <class T> constexpr bool is_void_v
    = is_void<T>::value;
  template <class T> constexpr bool is_null_pointer_v
    = is_null_pointer<T>::value;
//.... 

• filesystem
• network
• Ranges

Ranges！这个我必须说一说。我们经常写

std::sort(std::begin(v),std::end(v),std::greater<>{});

那个begin end太烦了。Ranges就是为了解决这个问题：

std::sort(v,std::greater<>{});

当然远远不止这点，Ranges 里面的东西还可以花样组合。你还可以写出这样的东西：

int total = accumulate(view::iota(1) |
                       view::transform([](int x){return x*x;}) |
                       view::take(10), 0);

其实背后的概念还是挺多的，例如 Iterable 等等。详细的可以去看Ranges for the Standard Library, Revision 1 。

• Type-erased Allocator

这个真的是深得我心啊！我最近正在按照目前的TS Draft实现这个东西。就是说一个vector:

std::vector<int,std::allocator<int>> v1;
std::vector<int,MyAllocator<int>> v2;
v1 = v2;//Error

由于Allocator属于类型的一部分，导致不同Allocator的vector不能copy啊等等。而且个人认为std::allocator有点鸡肋。这回好了，有了一个叫做memory_resource的抽象类：

class memory_resource {
  // For exposition only
  static constexpr size_t max_align = alignof(max_align_t);

public:
  virtual ~memory_resource();

  void* allocate(size_t bytes, size_t alignment = max_align);
  void deallocate(void* p, size_t bytes,
                  size_t alignment = max_align);

  bool is_equal(const memory_resource& other) const noexcept;

protected:
  virtual void* do_allocate(size_t bytes, size_t alignment) = 0;
  virtual void do_deallocate(void* p, size_t bytes,
                             size_t alignment) = 0;

  virtual bool do_is_equal(const memory_resource& other) const noexcept = 0;
};

之后有五种内置的多态allocator：

• new_delete_resource()，使用::operator new/delete
• null_memory_resource()，使用allocate就会抛出std::bad_alloc
• synchronized_pool_resource
• unsynchronized_pool_resource
• monotonic_buffer_resource

有一个pmr::polymorphic_allocator的类满足Allocator requirements，将一个memory_resource包装起来：

#include <deque>

namespace std {
namespace experimental {
inline namespace fundamentals_v2 {
namespace pmr {

  template <class T>
  using deque = std::deque<T,polymorphic_allocator<T>>;

} // namespace pmr
} // namespace fundamentals_v2
} // namespace experimental
} // namespace std

#include <forward_list>

namespace std {
namespace experimental {
inline namespace fundamentals_v2 {
namespace pmr {

  template <class T>
  using forward_list =
    std::forward_list<T,polymorphic_allocator<T>>;

} // namespace pmr
} // namespace fundamentals_v2
} // namespace experimental
} // namespace std

当然，我只是说了我了解的。还有很多其他的并发、并行算法、SIMD vector、string_view/array_view、optional/variant/any我没有做深入了解，就不误导大家了。