cpp template : concept

C++20 的 concept 是给模板参数加上编译期约束：明确告诉编译器，这个模板接受什么类型，以及这些类型必须支持哪些操作。

typename T 表示“这里需要一个类型”；SomeConcept T 表示“这里需要一个满足指定条件的类型”。

为什么需要 concept

普通模板可以这样写：

template<typename T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

这里隐含着一个要求：T 必须支持 a + b，而且结果能够转换为返回类型 T。

但是模板声明没有表达这个要求。如果传进来的类型不支持加法，编译器通常要等到实例化函数体时才发现错误。复杂模板中，这容易产生很长的报错。

concept 可以把这个要求放到模板的接口上：

#include <concepts>

template<typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {
    { a + b } -> std::convertible_to<T>;
};

template<Addable T>
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

这里分两步：

定义 Addable：对于类型 T，表达式 a + b 必须合法，而且结果能够转换为 T。
用 Addable 约束模板：只有满足这个条件的类型，才能使用这个 add。

此处的 -> std::convertible_to<T> 是对表达式结果的类型约束，不是函数的尾置返回类型声明。

concept 是一个命名的编译期条件

concept 本质上是一个带名字的、结果为 bool 的编译期条件。它不一定要通过 requires 表达式定义：

template<typename T>
concept SmallType = sizeof(T) <= 8;

static_assert(SmallType<char>);
static_assert(!SmallType<char[16]>);

SmallType<char> 就是在问：“char 是否满足 SmallType 这个条件？”

条件可以使用类型特征、常量表达式，也可以使用 &&、|| 等运算符组合。例如：

template<typename T>
concept SmallIntegral = std::integral<T> && SmallType<T>;

std::integral 是标准库 <concepts> 中提供的 concept，用来约束整数类型。

requires 的两种用途

requires 子句：给模板加约束

下面两种写法在这个例子中表达相同的约束，实际编写时选择一种即可：

template<Addable T>
T add(T a, T b);

template<typename T>
requires Addable<T>
T add(T a, T b);

约束也可以写在函数声明的参数列表之后：

template<typename T>
T add(T a, T b) requires Addable<T>;

requires 表达式：检查某些代码能不能成立

template<typename T>
concept HasSize = requires(const T& x) {
    x.size();
};

这里检查 x.size() 是否是合法表达式。不会创建对象 x，也不会真的执行 size()。

它还可以检查嵌套类型以及表达式的结果类型：

#include <concepts>
#include <cstddef>

template<typename T>
concept ContainerLike = requires(const T& x) {
    typename T::value_type;  // 必须存在这个嵌套类型
    { x.size() } -> std::convertible_to<std::size_t>;
};

三者的关系是：

requires 表达式描述要检查的条件。
concept 给条件命名，以便复用。
requires 子句或者 template<Concept T> 把条件用到模板上。

也可以不定义 concept，直接使用 requires 表达式作为模板的约束。这时会出现两个连续的 requires：

template<typename T>
requires requires(const T& x) { x.size(); }
void use_size(const T& x) {
    (void)x.size();
}

第一个 requires 引入约束子句，第二个 requires 开始一个结果为 bool 的表达式。

concept 参与重载选择

#include <concepts>
#include <iostream>

template<std::integral T>
void print(T) {
    std::cout << "整数\n";
}

template<std::floating_point T>
void print(T) {
    std::cout << "浮点数\n";
}

int main() {
    print(42);    // 选择整数版本
    print(3.14);  // 选择浮点数版本
    // print("hello");  // 两个版本的约束都不满足
}

编译器选择模板时会检查约束，不满足约束的候选不会被选中。如果没有其他可用的重载，调用就会报错。

编译器还可以按照约束的包含关系规则（subsumption）选择更具体的重载。但这不等于对任意布尔表达式进行数学推理，不能认为编译器总能识别两个条件之间的逻辑蕴含关系。

这也是 concept 与在函数体中写 static_assert 的区别：约束影响候选是否可用，而函数体中的 static_assert 是在选中模板并实例化函数体之后进行检查。

与面向对象接口的区别

对比项	concept	抽象基类 / 虚函数
检查或选择的时机	编译期	类型关系在编译期检查，虚调用可在运行期分派
类型如何满足要求	满足指定条件即可，无须声明继承	通常需要显式继承并实现接口
是否引入运行时分派	不会	虚调用可能涉及运行时分派

一个自定义类型只要支持合适的 operator+，就能满足前面的 Addable，无需写任何“实现 Addable”的声明。

concept 本身不会引入运行时检查，但模板函数体中的操作仍然可以在运行时执行。

能检查合法性，不能自动证明行为正确

检查出 a + b 可以编译，并不代表它满足交换律，也不代表它实现了算法期望的“加法”。

同样，检查出 x.size() 可以调用，也不代表它一定返回正确的元素个数。涉及操作含义、复杂度或数学性质的要求，仍然需要通过文档约定和实现来保证。

已有语法示例见 concepts.cpp。阅读其中的 requires 时，要理解成“检查表达式是否合法”，而不是“执行这里的函数”。

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