概述

在 C++20 中，requires 关键字是对模板编程能力的显著增强，它通过提供类型约束，帮助开发者在编译期捕捉类型不匹配的问题，而不是依赖运行时错误。requires 可以帮助我们检查某个类型是否满足特定条件，避免了编写错误的模板代码，提升了程序的可读性、可维护性和健壮性。

本文将介绍如何使用 requires 关键字进行模板约束，包括简单要求、类型要求、复合要求、嵌套要求及其在可变参数模板中的应用。我们将逐步展示如何利用这些特性提升代码的类型安全性。

requires 基础用法

requires 用于约束模板参数，它帮助我们在模板代码中明确指定哪些条件需要满足。最常见的应用是验证某个类型是否支持特定的方法或属性。

template <typename M>
requires requires(M m) {m.powerUp();m.powerDown();
}
void startMachine(M m) {m.powerUp();m.powerDown();
}

在这个例子中，requires 关键字表示类型 M 必须具有 powerUp() 和 powerDown() 两个成员函数。如果 M 类型不具备这些函数，编译时就会报错，避免了运行时错误。

简单要求：检查成员函数和成员变量

requires 语句可以用于检查类型是否包含特定的成员函数或变量。这种方式称为 简单要求，它能够非常直接地限制模板参数的类型。

template<typename T>
requires requires(T t) {t.play();t.count;t.age;
}
void playAnimal(T t) {t.play();
}

在这个例子中，requires 语句确保类型 T 必须有 play() 函数、静态成员 count 和成员变量 age。如果 T 类型不符合这些要求，编译会失败。

类型要求：检查类型成员和类型兼容性

除了检查成员函数和变量，requires 还可以用于检查类型的 成员类型 或者 类型兼容性。例如，检查某个类型是否包含特定的 type 成员，或者是否可以用特定的容器（如 std::vector）存储。

template<typename T>
requires requires {typename T::type;typename std::vector<T>;
}
void storeInVector(T t) {std::vector<T> v;v.push_back(t);
}

在这个例子中，requires 语句要求类型 T 必须有一个类型成员 type，并且 std::vector 必须能够正常工作。只有满足这些条件时，才能使用该模板函数。

复合要求：多个约束组合

在某些情况下，我们需要检查多个条件，requires 支持 复合要求，可以组合多个条件进行检查。这些条件可以包括成员函数、成员变量、类型等。

template<typename T>
requires requires(T t) {{ t.powerUp() };{ t.powerDown() };
}
void operateMachine(T t) {t.powerUp();t.powerDown();
}

上面的例子中，requires 语句检查了类型 T 是否具有 powerUp() 和 powerDown() 两个函数。只要满足这两个条件，operateMachine() 函数就可以正常使用。

限制表达式不抛出异常

有时候，我们希望对类型的行为提出更严格的要求，尤其是涉及异常的情况。在这种情况下，可以使用 noexcept 来确保某些操作不会抛出异常。

template<typename T>
requires requires(T a, T b) {{ a = std::move(b) } noexcept;
}
void moveAssign(T& a, T& b) {a = std::move(b);
}

此示例中的 requires 语句确保 a = std::move(b) 操作不会抛出异常。如果类型 T 不支持 noexcept 版本的移动赋值操作，则编译会失败。

嵌套要求：细化约束条件

requires 语句不仅可以在外部进行简单的检查，还可以进行 嵌套要求，用来检查更复杂的条件。例如，我们可以组合多个 requires 语句，通过嵌套的方式进行约束。

template<typename T>
requires requires(T t) {requires sizeof(T) > sizeof(void*);requires std::is_trivial_v<T>;
}
void processTrivialType(T t) {// 处理基本类型
}

在这里，requires 被嵌套使用，确保 T 的大小大于指针类型的大小，并且类型 T 必须是平凡类型。只有满足这两个条件时，processTrivialType 才能工作。

可变参数模板中的 requires

requires 也能应用于 可变参数模板 中。在处理多个类型时，requires 语句可以检查每个类型是否满足某些条件，或者组合所有条件。

template<typename... Ts>
requires (std::is_integral_v<typename Ts::type> || ...)
void checkTypes(Ts... args) {// 处理符合要求的类型
}

此示例中的 requires 语句使用了折叠表达式 (std::is_integral_v || …)，确保类型包中的每个类型都满足某些条件。只有当所有类型都符合要求时，模板函数才会被实例化。

总结与优化

C++20 中的 requires 关键字显著提升了模板编程的能力。通过它，开发者可以在编译期对模板参数进行精细的类型检查，而不是依赖运行时错误。通过结合 简单要求、类型要求、复合要求、嵌套要求 等技巧，开发者可以创建更加健壮、类型安全的模板代码。

优化技巧：

• 简化代码： 使用 requires 来明确限制模板参数类型，使得代码更简洁且易于维护。
• 编译期检查： 利用 requires 捕获编译时错误，避免了潜在的运行时错误。
• 组合约束： 通过组合多个约束，能够精细化控制模板的类型要求，提升代码的灵活性和可读性。

C++20 的 requires 关键字是一个强大的工具，能够帮助开发者在模板编程中更好地管理类型约束，提高代码的安全性和可靠性。希望本文能帮助你更好地理解和使用这一新特性，提升你的 C++ 编程水平。