C＋23 特性概览

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。

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：

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。

这使得Lambda函数再次得到增强。

又比如，借助Deducing this，可以简化CRTP。

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：

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。

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：

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：

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：

一个使用的小例子：

错误的情况：

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。

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：

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[]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：

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。

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。

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：

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，包含两个主要函数：

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。

性能对比：

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：

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：

Java的实现：

Rust的实现：

JS的实现：

Go的实现：

Kotlin的实现：

C++的实现：

借助fmt，可以简化代码：

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：

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：

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：

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。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：

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：

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：

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。

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：

是哪里出了问题呢？让我们来看看gcc std::erase()的实现：

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。

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。

而auto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。

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：

std::forward_like加入到了中，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

#eifdef and #eifndef（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#eifdef和#eifndef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：

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：

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：

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。

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：

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：

可以通过提案中的一个示例来理解：

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

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。

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。

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？

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：

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：

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

18

std::to_underlying（P1682R3）

同样位于，用于枚举到其潜在的类型，相当于以下代码的语法糖：

一个简单的例子就能看懂：

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，顾名思义，是关于位操作的。

同样，一个例子看懂：

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，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：

输出如下。

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：

而P2301，则是为其添加了PMR版本的别名，定义为：

于是使用起来就会方便一些。

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：

论文当中的一个例子：

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：

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：

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。

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：

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：

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：

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：

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。

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。

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：

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。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。

大家喜欢哪些C++23特性？

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