C++23 (C++23)

C++23, на момент разработки C++2b — новый стандарт языка программирования C++. Из-за эпидемии COVID все заседания комитета проходили полностью дистанционно (за исключением одного, частично дистанционного).

На июль 2023 закончен, но не прошёл через ISO. Макрос __cplusplus поднят до 202302L.

Запрещены и удалены

Удалены

• Сбор мусора (Си++11) — по факту никто его не поддерживал.

Запрещены

• aligned_storage, aligned_union (Си++11) — чреваты ошибками, сложно объединять в более крупные конструкции. Замена — alignas.
• Свойства дробного numeric_limits::has_denorm и has_denorm_loss (Си++03) — поскольку поведение денормализованных чисел на аппаратном уровне (и даже при компиляции и исполнении) бывает разное, никто не полагается на это свойство. Что взамен — пока разрабатывается. Ранее аналогичные макросы запретили в Си.
• Запрещается делать свои allocator_traits (Си++03). Свойствами allocator (выделителя) можно управлять, выставляя его внутренние поля.

Снят запрет

• Операции += и другие с volatile-переменными (запрещены в C++20). В микроконтроллерах часто используются многобитные порты, спроецированные в память, потому разрешили побитовые операции &=, |=, ^= (остальных не нашли в открытом коде). В последний момент разрешили и остальные.
• Присваивание char[] ← UTF-8 const char* s = u8"123"; (нарушено в C++20, см. ниже).

Язык

Мелкие изменения

• Предварительный оператор if/цикла может быть using-псевдонимом: for (using T = int; T e : v). В C++20 работало for (typedef int T; T e : v), ведь синтаксически typedef — это определение переменной.
• Разрешён код int a[3]; auto (*p)[3] = &a; — auto теперь позволяет указатели и ссылки на массивы.
• Новый литеральный суффикс 123z (знаковый эквивалент size_t), 123uz (size_t).
• В лямбда-функции без параметров допустимо опускать круглые скобки, если есть ключевое слово mutable и другие подобные: [s2 = std::move(s2)] mutable {}.
• Разрешены повторы атрибутов — оказалось, они часто генерируются макросами.
• Расширено неявное преобразование int→bool в static_assert и if constexpr: всё, кроме нуля, эквивалентно true. В explicit/noexcept, как и раньше, годятся только 0 и 1. Дробные числа, указатели и объекты без operator bool(), как и раньше, запрещены.
• Хвостовой возвращаемый тип в лямбда-функциях сначала смотрит в перехваты, и только потом — в окружающий текст: auto counter1 = [j=0]() mutable -> decltype(j) { return j++; };
• Разрешены атрибуты у лямбда-функций: auto lm = [][[nodiscard, vendor::attr]]()->int { return 42; };
• При наследовании конструктора наследуются и подсказки по автоопределению параметров шаблона (deduction guides).

if consteval

Более раннее std::is_constant_evaluated(), сделанное встроенной функцией компилятора, оказалось ошибкоопасным. Например:

constexpr size_t strlen(char const* s) {
    //if constexpr (std::is_constant_evaluated()) {  Было, не вызывало ассемблерную версию
    if consteval {    // Стало
        for (const char *p = s; ; ++p) {
            if (*p == '\0') {
                return static_cast<std::size_t>(p - s);
            }
        }    
    } else {
        __asm__("Нечто оптимизированное на SSE или даже на AVX!");
    }
}

Конечно, компиляторы выдают предупреждение, но неочевидно, что делать — правильно if (std::is_constant_evaluated()), иначе оптимизированная ассемблерная версия вообще не запустится.

Вторая причина — взаимодействие между constexpr и consteval.

consteval int f(int i) { return i; }

constexpr int g(int i) {
    // if (std::is_constant_evaluated()) {   Было, не компилировалось
    if consteval {   // Стало
        return f(i) + 1;
    } else {
        return 42;
    }
}

Этот код вообще не компилировался, и хотелось бы сделать уголок в constexpr-коде, который способен вызывать consteval-функции.

Фигурные скобки в then-части обязательны, в else- могут опускаться. Писать вроде if (consteval && n < 0) { невозможно, ради этого старую функцию не запретили.

Обратная форма выглядит как if not consteval {} или if !consteval {}.

auto(x) — временная копия объекта

Простой способ получить объект как временный, например:

void pop_front_alike(Container auto& x) {
    std::erase(x.begin(), x.end(), auto(x.front()));
}

x.front() — ошибка: в зависимости от контейнера, эта ссылка будет смотреть или на другой объект, или в пустую память.

Нижеприведённый код корректен, но ревизор может соблазниться ошибочно убрать переменную a.

auto a = x.front();
std::erase(x.begin(), x.end(), a);

В шаблонном программировании этот тип бывает получить непросто:

using T = std::decay_t<decltype(x.front())>;
std::erase(x.begin(), x.end(), T(x.front()));

Название prvalue_cast было отброшено по двум причинам: prvalue — сильно техническое понятие, и не соответствующее названию поведение для массивов (даст указатель).

Также допустимо auto{x}.

Многомерная операция индексирования (квадратные скобки)

Существующие методы:

array(1, 2, 3, 4, 5) = 42;   // выглядит ужасно, если вы не учили FORTRAN
array[{1, 2, 3, 4, 5}] = 42; // очень непонятно и неприятно писать
array[1][2][3][4][5] = 42;   // чуть лучше, но под капотом творится просто жуть

Пока только для пользовательских типов.

int buffer[2*3*4] = { };
auto s = std::mdspan<int, std::extents<2, 3, 4>> (buffer);
s[1, 1, 1] = 42;

Разные библиотеки реализуют недостающий синтаксис по-разному, но в любом случае это не сочетается с синтаксисом стандартных массивов, и затрудняет автоматический поиск ошибок и inline (развёртывание функции прямо в вызывающий код).

Предметом дискуссий остаются: нужно ли это для стандартных массивов; нужно ли ослабить требования к operator[] и разрешить его за пределами класса.

This-параметры

Одна из возможностей Си++ — const-корректность — приводит к дублированию кода или написанию способов делегирования. Предлагается решение этого через шаблоны

///// БЫЛО /////
class TextBlock {
public:
  char const& operator[](size_t position) const {
    // ...
    return text[position];
  }

  char& operator[](size_t position) {
    return const_cast<char&>(
      static_cast<TextBlock const&>
        (this)[position]
    );
  }
  // ...
};

///// СТАЛО /////
class TextBlock {
public:
  template <typename Self>
  auto& operator[](this Self&& self, size_t position) {
    // ...
    return self.text[position];
  }
  // ...
};

Методы-расширения пока не предлагаются, но будут возможны в дальнейшем.

Другое назначение — повышение производительности при работе с классами минимального размера: даже если компилятор не умеет оптимизировать, будет происходить копирование, а не передача по ссылке.

Снижение требований к constexpr

Сделано множество послаблений: сигнатура не обязательно состоит из литеральных типов, подобъекты не обязательно конструируются/уничтожаются через constexpr, и т. д. Аргументация:

• С Си++20 слово constexpr означает, что есть хотя бы один путь исполнения, возможный при компиляции.
• Библиотеки всегда отстают от языка: компилятор уже поддерживает Си++23, а optional.reset() ещё не constexpr (нововведение Си++20).

Таким образом, теперь возможно написать constexpr-функцию, которая ни при одном наборе аргументов не сможет выполниться при компиляции. Должен ли компилятор в таком случае выдавать предупреждения — не указано.

Также в constexpr-функциях разрешены goto, переменные нелитеральных типов, статические/внутрипоточные переменные. Если при компиляции будет пройдена любая из этих строк, функция вычисляется при выполнении.

В constexpr-функциях теперь могут участвовать указатели и ссылки с неизвестным значением, если этими значениями не пользоваться — оказалось, что std::size не может работать со ссылками:

// Самодельный std::size для массивов, в STL G++ похожий код
template <typename T, size_t N>
constexpr size_t array_size(T (&)[N]) { return N; }

void check(int const (&param)[3]) {
    int local[] = {1, 2, 3};
    constexpr auto s0 = array_size(local); // OK
    constexpr auto s1 = array_size(param); // Теперь OK
}

Разрешены static constexpr-переменные в constexpr-функциях:

constexpr char xdigit(int n) {
  static constexpr char digits[] = "0123456789abcdef";
  return digits[n];
}

Это позволит, например, написать constexpr from_chars.

Лямбда-функции и constexpr-шаблоны могут вызывать consteval и тогда сами становятся consteval. Для первой никак нельзя указать, что она consteval. А шаблон теперь может стать условным consteval в зависимости от пути инстанцирования.

Статические operator() и operator[]

Убирает одну машинную команду, если класс без данных и компилятор почему-то отказался от инлайнинга (добавления в вызывающий код вместо создания отдельной функции). Например, в самобалансирующемся дереве с нестандартным порядком (было в Си++03) и разнородным поиском (Си++14) возможен такой код:

struct CustomCompare {
    using is_transparent = int; // включить разнородный поиск
    static bool operator() (std::string_view a, std::string_view b) // было const, стало static
        { return someCustomLess(a, b); }
};

std::set<std::string, CustomCompare> things;

Изначальное предложение касалось операции «вызов» operator(). Потом позволили делать статической и операцию «индекс» operator[].

Эти операции всё ещё нельзя определять вне класса.

Аннотация [[assume(bool)]]

Разрешено аннотировать только пустой оператор. Код в аннотации никогда не исполняется, даже если имеет побочные эффекты. Служит исключительно для оптимизатора — он может закладываться на данное выражение. Если выражение будет равняться false, то это неопределённое поведение. Функция __assume/__builtin_assume уже есть в MSVC и Clang, а вот G++ эмулирует её через builtin_unreachable и потому вычисляет выражение внутри.

int divide_by_32(int x) {
    [[assume(x >= 0)]];
    return x/32;  // компилятор может не закладываться на отрицательный x
}

В данном примере, если x неотрицательный, можно делать лёгкую команду shr (беззнаковый сдвиг) или sar (знаковый — такой сдвиг равноценен делению с округлением вниз, в то время как операция / округляет к нулю). Если закладываться на отрицательный — то тяжёлую команду div (деление) или нетривиальные оптимизации.

; G++ x64 13.2 -std=c++23 -O3
; Без assume — знаковое деление на 32 без «тяжёлых» операций: ветвлений и div
test    edi, edi       ; рассчитать процессорные флаги (нам важен sf) для edi≡x
lea     eax, [rdi+31]  ; загрузка x+31; он будет использоваться, если x<0
cmovns  eax, edi       ; загрузка x, если x⩾0
sar     eax, 5         ; битовый сдвиг
ret

; С assume — битовый сдвиг, расходящийся с делением, если x<0
mov     eax, edi       ; требуется по соглашению вызова: параметр в rdi, результат в rax
sar     eax, 5         ; битовый сдвиг
ret

Если при constexpr-счёте окажется, что assume не выполняется — поведение остаётся за компилятором: он может как выдать ошибку, так и ничего не сделать. Это не первая вещь, где поведение в constexpr за компилятором — также за компилятором будет распаковка переменных параметров Си (на манер функции printf) и расчёты с неопределённым поведением.

Новые правила синтезированной != и перевёрнутых ==/!=

Чтобы писать меньше нетворческого кода, в С++20 сделали синтез операции «не равняется» из «равняется», и примерку обеих как в обычном виде, так и в перевёрнутом. Это сильно ударило по имевшемуся коду: на G++ работает с предупреждением, например, такой рекурсивный шаблон — выбирает между простой и перевёрнутой операцией ==:

template <typename T>
struct Base {
    bool operator==(const T&) const { return true; }
    bool operator!=(const T&) const { return false; }
};
   
struct Derived : Base<Derived> { };
   
bool b = (Derived{} == Derived{});  // предупреждение

Теперь синтез операции «не равняется» и переворот происходит, если возвращаемый тип bool и программист не написал операцию != сам. В некоторых случаях компилятор может запутаться и сказать: есть выбор между обычной и перевёрнутой операцией «равняется», и исправление этой ошибки простое — поступить по старинке и написать операцию «не равняется» самостоятельно.

static_assert(false)

У нового перечисления вариантов через if constexpr нет одной черты, присутствовавшей у старых способов обеспечить принципиально разное поведение (например, у перегрузок ostream << int и ostream << const char*): как вызвать ошибку, если ни одна ветвь не выполняется? static_assert(false) не годился — компилятор выдавал ошибку, даже не инстанцируя; приходилось запутывать компилятор так, чтобы он не видел тождественный false. Общепринятое решение — шаблон always_false<T>, который пишут прямо на месте.

В С++23 static_assert в шаблонах проверяется при инстанцировании, даже если выражение можно вычислить, не инстанцируя. Если он должен проверяться всегда — вытащите его за пределы шаблона.

// Больше не нужно
template <class> inline constexpr bool always_false = false;

template <class T>
void f(T t) {
  if constexpr (sizeof(T) == sizeof(int)) {
    use(t);
  } else {
    static_assert(always_false<T>, "must be int-sized");  // Было
    static_assert(false, "must be int-sized");            // Стало
  }
}

void g(char c) {
  f(0); // OK
  f(c); // error: must be int-sized
}

Кодировки символов

Допустимые символы в идентификаторах

В идентификаторах теперь допустимы символы из множеств Юникода XID_Start (начальный) и XID_Continue (остальные).

• Разрешены буквы и цифры разных алфавитов, включая китайские иероглифы, клинопись и математические буквы латиницы/арабицы, многие из буквоподобных символов.
• Разрешены символы типа «буква/модифицирующая» — 02C6 ˆ «модификатор-крышка» разрешён, а 02DA ˚ «верхний кружок» имеет тип «символ/модифицирующий» и запрещён.
• Разрешены комбинирующие метки, включая селекторы начертания.
• Запрещены эмодзи, неалфавитные символы из техники и математики, форматирующие символы (невидимые символы, отвечающие за обработку текста, в том числе ZWJ и ZWNJ).

Идентификатор должен быть нормализован по алгоритму «каноническая композиция» (NFC, разобрать монолитные символы на компоненты и собрать снова). Если нет — программа некорректна.

Это изменение только делает поддержку Юникода более целостной, но никак не решает вопросов атак через внешне одинаковые строки. Методы передачи таких символов в линкер остаются за реализацией.

Запрещены многосимвольные и некодируемые wchar_t-литералы

Разные компиляторы действовали по-разному на L'\U0001F926' (эмодзи «фейспалм») на двухбайтовом wchar_t (Windows), L'ab'. Теперь оба запрещены.

Многосимвольные char-литералы продолжают работать, имеют тип int. Сколько допускается символов и как они будут собраны в одно число — определяется реализацией.

Понятия «кодировка трансляции», «кодировка исполнения»

Узаконено, что одна может отличаться от другой, и wchar_t — это единица широкой, зависящей от реализации кодировки исполнения.

UTF-8 как кроссплатформенная кодировка трансляции должна поддерживаться безусловно, всеми компиляторами. Метка порядка байтов игнорируется, кроме случаев, когда она противоречит флагам компилятора. Если файл опознан как UTF-8, в нём не должно быть некорректных кодовых комбинаций — однако могут быть корректные комбинации, соответствующие не существующим пока символам.

Числовые значения символьных литералов в препроцессоре совпадают с кодировкой исполнения

Раньше это было за реализацией, но оказалось, что основное назначение этой функции — определение кодировки исполнения. Например, код из SQLite:

/* Проверка, использует ли машина EBCDIC.
   (Да, верите или нет, ещё есть машины, использующие EBCDIC.) */
#if 'A' == '\301'
# define SQLITE_EBCDIC 1
#else
# define SQLITE_ASCII 1
#endif

Все крупные компиляторы фактически работают именно так.

Снова разрешено инициализировать массивы char и unsigned char литералом UTF-8

Все три строчки сломаны в Си++20, снова работают в Си++23.

const char* a = u8"a";
const char b[] = u8"b";
const unsigned char c[] = u8"c";

Как оказалось, подобный слом усложнял constexpr-функции, мешал совместимости с Си.

Новые экранировки

"\u{1F926}" для кодовой позиции Юникода, "\o{123}" для восьмеричной системы и "\x{AB}" для шестнадцатеричной.

Разрывать такие экранировки ("\x{4" "2}") запрещено.

"\N{LATIN CAPITAL LETTER A WITH MACRON}" позволяет обратиться к символу по юникодному имени.

format перекодирует Юникод в однобайтовую кодировку

Исключает крокозябры в таком коде:

std::locale::global(std::locale("Russian.1251"));
auto s = std::format("День недели: {}", std::chrono::Monday);

Набор возможных кодировок определяется реализацией. При неспособности — выбрасывается исключение.

Уточнены принципы расчёта ширины в консоли

Для каждого текста реализация сама определяет, сколько позиций терминала он займёт. Описана эталонная юникодная реализация: большинство восточноазиатских символов и эмодзи имеют ширину 2, все умляуты — 0, у остальных 1. Реализация локаленезависима. Ширина символа-заполнителя всегда принимается за 1.

Специальные числа вроде NaN и ∞ не заполняются нулями.

// Ширина эмодзи — 2
string sB = format("{:🤡^6}", "x");         // 🤡🤡x🤡🤡🤡
string sC = format("{:*^6}", "🤡🤡🤡");    // 🤡🤡🤡
double inf = numeric_limits<double>::infinity();
string s4 = format("{:06}", inf);           // ␣␣␣inf

Редакционные правки

• При объединении строк через обратную косую черту теперь допустимы пробелы после этой черты. Так действовали GCC, Clang и ICC — а MSVC оставлял пробел.
• Компилятор лишён права на перестановку полей одного объекта, если те имеют ненулевую длину и разные права доступа. Так действовали MSVC, GCC, Clang.
• Запрещена конкатенация строк с противоречивыми префиксами кодировки вроде L"" u"". Из крупных компиляторов такое поддерживает только SDCC — берёт первый из префиксов.
• Разрешена директива #warning, поддерживаемая всеми.
• Упрощены правила неявного перемещения при возврате из функции.
• Переработаны производителезависимые расширенные целые типы.
• span и string_view теперь TriviallyCopyable.
• В модулях запрещено экспортировать бессмысленные вещи вроде static_assert. Однако составные конструкции, состоящие из static_assert, для простоты экспортировать можно: export { static_assert(true); }. (Например, в определённых настройках препроцессора в скобках остался один static_assert.)
• Стандартные атрибуты можно игнорировать. Единственный из них, который влияет на работу программы,— [[no_unique_address]], и его игнорировать можно было и раньше. Остальные влияют на предупреждения или дают дополнительную информацию компилятору. А то, что влияет на программу, например, alignas,— не атрибут.

Уточнено, какие временные объекты сохраняются до конца цикла

В конструкции «for по объекту» говорится: ради безопасности и предсказуемости кода каждый временный объект, в нормальных условиях исчезающий в конце строки, сохраняется до конца цикла. Исключением являются переданные по значению параметры функции — ведь они, исчезая как объекты в конце строки, вероятно, теряют своё содержимое раньше.

Это четвёртый случай, когда нарушено правило «деструкторы вызываются сразу же после окончания выражения». Остальные три: создание и копирование массива (ради простоты и эффективности для каждого элемента сначала исчезают временные, потом создаётся/копируется следующий), явная команда придержать объект через const int& b = static_cast<const int&>(0);.

using T = std::list<int>;
const T& f1(const T& t) { return t; }
const T& f2(T t)        { return t; }  // Остаётся предупреждение: возврат ссылки на локальный объект
T g();
void foo() {
  for (auto e : f1(g())) {}  // Теперь OK, жизнь объекта g() продлевается
  for (auto e : f2(g())) {}  // Остаётся неопределённое поведение
}

Гармонизация с Си

• Препроцессорные директивы #elifdef и #elifndef, которые будут в Си23.
• Разрешена метка без оператора: { goto a; ++x; a: }.
• Поддержка <stdatomic.h>. Аналога <cstdatomic> нет.
• Снова разрешено инициализировать массивы char и unsigned char литералом UTF-8 (описано выше).
• Уточнён статус заголовочных файлов Си: изначально они были запрещённые, теперь — для совместимости. Файл, который не должен быть одновременно допустимым файлом Си, не должен их подключать. Это убирает угрозу: в ближайшее время эти заголовки не удалят.
• Добавлен новый бит метода открытия файла на запись ios::noreplace: файла не должно существовать. Это исключает перезапись нужного файла, исключает гонки за файл между двумя программами. Бит существовал во многих реализациях до Cи++98, и эквивалентен флагу x Си11 (FILE* f = fopen("fname.ext", "wx");) и отсутствию флага CREATE_ALWAYS в Win32. Например, может служить для поиска неиспользуемого временного файла.

Обёртки out_ptr, inout_ptr

Эти обёртки призваны «подружить» «сырые» Си-API и умные указатели. Исчезая, обёртка перезаписывает указатель. В любом случае в типе умного указателя программист должен верно указать, какой функцией объект уничтожать.

// Межъязыковой API
error_num c_api_create_handle(int seed_value, int** p_handle);
void c_api_delete_handle(int* handle);

// Умная обёртка на Си++
struct resource_deleter {
	void operator()( int* handle ) { c_api_delete_handle(handle); }
};
std::unique_ptr<int, resource_deleter> resource(nullptr);

// Создание объекта через out_ptr
error_num err = c_api_create_handle(24, std::out_ptr(resource));
if (err == C_API_ERROR_CONDITION) {
	// обработка ошибок
}

Библиотека

Разные изменения в библиотеке

• Семейство констант is_scoped_enum — например, для отслеживания миграции библиотеки со старых enum на новые enum class.
• Функция to_underlying для преобразования enum → int, более понятная по названию и менее ошибкоопасная.
• Функция byteswap в заголовке <bit> для смены порядка байтов в числах.
• iostream теперь может печатать volatile-указатели — точно так же, как и обычные.
• forward_like — аналог forward для объекта и его поля; понадобился из-за this-параметров.
• Зарезервированы два модуля: import std; (всё пространство имён std::) и import std.compat; (функции совместимости вроде ::fopen из стандартного пространства имён). На ноябрь 2022 модулей не поддерживает никто, но, по заявлениям «Открытых систем», даже компиляция Hello World серьёзно ускорилась.
• Переписаны концепции equality_comparable_with и другие, чтобы поддерживали некопируемые типы.
• Больше совместимости между кортежами (tuple) и кортежеподобными объектами (парами, статическими массивами).
• mdspan — нехранящий многомерный массив
• Усовершенствован visit для работы с типами, унаследованными от variant (обычно какие-то реализации конечных автоматов).
• Уточнено, что common_reference_t — всегда ссылка, а не reference_wrapper.
• У библиотеки изначально были два варианта: автономная (freestanding) и платформенная (hosted); автономная не содержит системных вызовов, может писаться даже на чистом Си++, и будет работать даже на нестандартных машинах без консоли и файловой системы. В автономную версию <utility> внесён полностью, а <ranges> и <iterator> — частично.
• invoke_r, используемое при сложной композиции шаблонов.
• Ослаблены требования к функции time_point::clock, чтобы можно было налаживать разные виды часов, в том числе хранящие некое состояние (например, синхронизирующиеся по интернету через NTP).

stacktrace

Одно из важнейших нововведений Си++23, позволяющее видеть ошибку вернее, чем короткие сообщения самопроверок. Например: если случился выход за пределы массива, самопроверка скажет: обращался к 7-му элементу из 5-и — но не подскажет, кто именно совершил выход. Но если подняться на несколько стековых фреймов выше, часто ошибка становится легко заметной. Новая библиотека, как и многое из Си++, позаимствована из BOOST.

#include <algorithm>
#include <iostream>
#include <stacktrace>
 
int main()
{
    auto trace       = std::stacktrace::current();
    auto empty_trace = std::stacktrace{};
 
    // Print stacktrace.
    std::for_each(trace.begin(), trace.end(),
                  [](const auto& f) { std::cout << f << '\n'; });
 
    if (empty_trace.begin() == empty_trace.end())
        std::cout << "stacktrace 'empty_trace' is indeed empty.\n";
}

Впоследствии объекту stacktrace придумали стандартную функцию форматирования.

Как связывать stacktrace с выпадающими авариями — пока не придумали, ведь то и другое — довольно тяжёлые части языка и библиотеки.

move_only_function

std::function стал одной из самых «тяжёлых» частей библиотеки STL. Избавившись от нескольких возможностей — нельзя копировать, отсутствуют поля target и target_type — можно получить значительно более лёгкий объект. И, разумеется, этот объект может работать с некопируемыми перехватами.

Аппаратно-разнородные барьеры

Объект блокирующей межпоточной синхронизации «барьер» используется для частично распараллеливаемых задач: как только каждый поток выполнит свою долю и все соберутся у барьера, выполняется координационная функция и решает, что делать дальше. В реализации для Си++ поток-координатор и ожидающие очередного этапа вычислений потоки-клиенты должны вызвать wait, а потоки-работники — arrive при обычном исполнении и arrive_and_drop, если поток выходит из параллельного вычисления.

Теперь координационная функция теперь может выполниться в любом потоке: не только в последнем arrive, но и в wait. Что будет, если никто не вызовет wait (то есть координатора нет),— зависит от реализации. Связано с разнородным аппаратным обеспечением — координатор и клиенты работают на одной архитектуре, а потоки-работники на другой.

expected

У обработки ошибок есть четыре важных свойства:

• Заметность: ревизору должны быть видны нарушения методики использования функции.
• Информация об ошибках: ошибка должна нести достаточно информации о том, откуда она взялась и как её решить.
• Чистый код: код обработки ошибок должен быть минимален.
• Невмешательство: ошибки не должны забивать какой-нибудь канал, предназначенный для нормального хода исполнения.

Главный недостаток исключений — незаметность. У кодов ошибок как минимум грязный код, и они забивают важный канал — возвращаемое значение.

expected — напомнающий variant тип, который может хранить или значение при нормальном исполнении, или ошибку.

expected<int, errc> getIntOrZero(istream_range& is) {
    auto r = getInt(is);   // возвращает такой же expected
    if (!r && r.error() == errc::empty_stream) {
        return 0;
    }
    return r;
}

Чистый код достигается через монадный интерфейс. Общая монада в Си++23 не попала, однако optional и expected обзавелись похожими функциями.

Монадные операции над optional/expected

Монада — стандартная возможность функциональных языков произвести последовательность действий.

В математике последовательность функций записывается как $h(g(f(x)))$, что не всегда удобно — в программировании часто лучше x.f().g().h().

std::optional — довольно простая обёртка, смысл которой — хранить объект или ничего. Проверки на «ничего» занимают немалую часть работы с optional — а что, если в процессе преобразований картинки на ней не окажется кота? А что, если нет места, куда пририсовать бантик?

std::optional<image> get_cute_cat (const image& img) {
    return crop_to_cat(img)               // image → optional; [nullopt] на картинке нет кота
           .and_then(add_bow_tie)         // image → optional; [nullopt] некуда добавить бантик
           .and_then(make_eyes_sparkle)   // image → optional; [nullopt] не видно глаз
           .transform(make_smaller)       // image → image
           .transform(add_rainbow);       // image → image
}

Впоследствии то же придумали для expected.

spanstream — замена запрещённому в C++98 strstream

Существовал strstream — поток данных, работающий на массиве ограниченной длины. Из-за угрозы переполнений запрещён уже в C++98, предложен другой похожий механизм.

char output[30]{};
ospanstream os{span<char>{output}};
os << 10 << 20 << 30;
auto const sp = os.span();
ASSERT_EQUAL(6,sp.size());
ASSERT_EQUAL("102030",std::string(sp.data(),sp.size()));
ASSERT_EQUAL(static_cast<void*>(output),sp.data()); // никакого копирования данных
ASSERT_EQUAL("102030",output); // гарантируется нуль-терминирование

print

Изначально было: std::cout << std::format("Hello, {}! You have {} mails", username, email_count);

Это…

• Удлиняет двоичный код — потоки изначально тяжелы.
• Нет поддержки Юникода.
• Выглядит некрасиво.

Доступен более лёгкий std::print("Привет, {}! У вас {} писем", username, email_count);.

Впоследствии уточнили, что print синхронизирован с другими методами вывода в консоль.

Необязательные дробные типы

Название	Битов мантиссы/ ​порядка	Диапазон	ulp(1.0)	Примечание
float16_t	10+5	6.1e-5..65504	9.8e-4	Соответствует IEEE binary16
bfloat16_t	7+8	1.2e-38..3.4e38	7.8e-3	Верхние два байта IEEE binary32 (≈float), используется в ИИ-библиотеках, отсюда имя — brain float. Современные ИИ-модели занимают гигабайты, но если такая погрешность влияет — модель определённо переобучена.
float32_t	23+8	1.2e-38..3.4e38	1.2e-7	Соответствует IEEE binary32, большинству реализаций float
float64_t	52+11	2.2e-308..1.7e308	2.2e-16	Соответствует IEEE binary64, большинству реализаций double
float128_t	112+15	3.4e-4932..1.1e4932	1.9e-34	Соответствует IEEE binary128

У всех этих типов неявная единица: целая часть мантиссы 1,xxx только подразумевается и не хранится.

Математические функции должны иметь обёртки для всех поддерживаемых типов — при этом реальный расчёт может вестись в более или менее точном типе.

Новая функциональность диапазонов (ranges) и представлений (views)

• Из концепции view удалена инициализация без параметров.
• Уточнены требования к дипазонам, представлениям, адаптерам диапазонов.
• Механизмы для написания собственных адаптеров диапазонов
• Семейство адаптеров zip для параллельного прохождения разных диапазонов.
• ranges::to — преобразование из диапазона в контейнер.
• Функции iota, shift_left, shift_right.
• Функции chunk и slide.
• Функция chunk_by.
• Функция join_with.
  • Улучшена работа join[_with] с итераторами, которые возвращают ссылку на что-то внутри самого итератора.
• Функции starts_with, ends_with.
• split_view переименован в lazy_split_view, добавлен новый split_view.
• Ослаблены ограничения на join_view.
• string_view можно строить из непрерывного диапазона. Впоследствии уточнили: конструктор явный (explicit).
• Механизмы вывода диапазонов функцией format.
• Добавлены механизмы указания, как печатать нестандартный диапазон функцией format — вывод запрещён, как отображение (map), как множество (set), как кортеж (sequence), как строку (string), как отладочное сообщение (debug_string)..
• generator — синхронный генератор диапазонов на сопрограммах. Налажено форматирование подобных объектов. Первое использование сопрограмм в стандартной библиотеке.
• single_view и другие адаптеры-представления теперь могут работать с перемещаемыми, но не копируемыми типами.
• Новая функция-адаптер views::repeat, повторяющая один объект N раз или до бесконечности.
• Переписаны требования к алгоритмам, чтобы они могли пользоваться итераторами диапазонов.
• Функция cartesian_product — декартово произведение диапазонов.
• Функция ranges::fold, представляющая собой f(f(…f(f(init, x₁), x₂), …), x_n).
• Функции ranges::contains, ranges::contains_subrange.
• Объект stride_view, функция views::stride — представление с шагом N
• Функции ranges::find_last(), find_last_if(), find_last_if_not.
• Функция views::enumerate — часто функцией Си++ «проход по контейнеру» не пользовались просто потому, что вдобавок требовался номер в последовательности.

Новые подсказки по выведению параметров шаблона (deduction guides)

• function — теперь будет компилироваться std::function f = less<int>{};, если less — шаблон с новой статической операцией «вызов».
• function и packaged_task — теперь будет компилироваться std::function g = F{};, если F — объект, чья операция «вызов» содержит новый (также ожидаемый в Си++23) this-параметр

Новая функциональность строк владеющих (string) и невладеющих (string_view)

• string[_view].contains — часто надо проверить на наличие подстроки, не выясняя, где совпадение.
• string.substr() && (с временным this) — для оптимизации auto a = someTemporaryString().substr(0, 2);.
• string_view можно строить из непрерывного диапазона (см. выше).
• Добавлен псевдоконструктор string[_view](nullptr_t) = delete — как подсказка: строить строку из пустого указателя запрещено.

string::resize_and_overwrite

Используется для экстремальной оптимизации на стыке строк и низкоуровневых API:

int compress(void* out, size_t* out_size, const void* in, size_t in_size);

std::string CompressWrapper(std::string_view input) {
    std::string compressed;

    compressed.resize_and_overwrite(input.size(), [input](char* buf, std::size_t n) noexcept {
        std::size_t compressed_size = n;
        auto is_ok = compress(buf, &compressed_size, input.data(), input.size());
        assert(is_ok);
        return compressed_size;
    });

    return compressed;
}

Возникнет вопрос: а что при этом соптимизировали по сравнению с двумя resize? Дело в том, что стоимость выделения памяти мало зависит от длины буфера, и в большинстве случаев на буфер будет выделено значительно больше памяти, чем реально потребуется на сжатую строку. Новая функция не инициализирует буфер, и ушло зануление очень длинного участка памяти — memset( compressed.data(), '\0', compressed.size()).

Новая функциональность итераторов

• Адаптер move_iterator — теперь итератор того же вида (односторонний/двусторонний/произвольного доступа), что и исходный итератор (раньше только односторонний).
• Переписаны требования к алгоритмам, чтобы они могли пользоваться итераторами диапазонов (см. выше).
• cbegin всегда должен возвращать константный итератор.
• Исправлена iterator_category в counted_iterator и некоторых других, чтобы из них можно было собирать сложные диапазоны.
• Придумана концепция позаимствованных диапазонов — их итераторами можно продолжать пользоваться, когда объект-диапазон исчезает.

Новая функциональность контейнеров

• Конструкторы stack/queue, принимающие пару итераторов.
• Шаблонному конструктору pair даны типы по умолчанию.
• Разнородный extract и erase в ассоциативных контейнерах. Например, ключ хранения string, а ключ доступа — string_view.
• Переписыванием конструкторов сделано, чтобы аллокатор не участвовал в разрешении перегрузок.
• Новая функция Allocator.allocate_at_least, более полно использующая особенности механизма выделения памяти. Контейнеры переменного размера понемногу будут переходить на неё.
• Новые контейнеры flat_[multi]set и flat_[multi]map, работающие как минимум на шаблонах vector, deque, list. Представляют собой простые сортированные массивы.

Новые constexpr

• Больше constexpr в bitset.
• Целочисленные from_chars, to_chars.
• Почти все функции unique_ptr — после того, как new и delete стали выполняться в этом контексте.
• Математика из cmath, cstdlib.
• Большинство функций optional, variant.
• type_info::op==

Новая функциональность format

Помимо стандартного форматирования новых объектов (описано в соответствующих разделах), там есть:

• Форматирование thread::id.
• Проверка корректности форматирования при компиляции, если такое возможно; облегчение format_to, если обработка при компиляции удастся.
• Открыт format_string.get(). Автоматическая проверка корректности format при компиляции ограничивается функцией format, и пока обходной способ добавить проверку в свою функцию (например, log<Args...>(format_string, Args...) — писать собственные реализации format_string, пользуясь по максимуму штатными библиотеками. Для последнего и нужен get. Предполагается, что в новых версиях проверка будет сделана чище — например, через проверку параметров при компиляции.

Оптимизации и предупреждения

• exchange получил условный noexcept — если объект создаётся с перемещением и присваивается (с перемещением или по копии, в зависимости от правого параметра), не вызывая исключений.
• apply получил такой же условный noexcept.
• Некоторые библиотечные функции наподобие malloc и bit_cast ещё с Си++20 получили прозвище «благословенные» — они могут неявно создавать объекты. То есть: не оперируя типом X, тем не менее, подразумевают, что в памяти может появиться объект типа X. Теперь можно «благословить» любую функцию кодом X* p = std::start_lifetime_as<X>(myMalloc(sizeof(struct X)); — и подобные вызовы не будут неопределённым поведением.
  • Типы, с которыми такие «благословенные» функции могут работать, названы «типы с неявным временем жизни» — для них придумана функция std::is_implicit_lifetime.
• Новые свойства типов reference_constructs_from_temporary, reference_converts_from_temporary. Некоторые объекты (std::tuple<const std::string&>) теперь не могут конструироваться из подобных объектов.
• Добавлен псевдоконструктор string[_view](nullptr_t) = delete — как подсказка: строить строку из пустого указателя запрещено.

Функция unreachable

Функция, указывающая, что при нормальной работе кода в данную точку попасть нельзя. Поведение неопределённое, вызов этой функции в действующем коде — всегда нештатная ситуация.

enum class MyBool { NO, YES };
int toInt(MyBool x) {
  switch (x) {
  case MyBool::NO:  return 0;
  case MyBool::YES: return 1;
  }
  // Прикрываем знаменитое предупреждение G++
  std::unreachable();
}

В большинстве компиляторов она «волшебная» (реализованная внутри компилятора), и в GCC/CLang много лет существовала под названием __builtin_unreachable. Но даже без «волшебства» подходящая реализация простейшая: [[noreturn]] с пустым телом.

Оставлены на будущее

• #embed — загрузка массива из двоичного файла.
• Ситуация с Юникодом в диагностических строках (static_assert и других).
• Атрибуты для структурного связывания auto [a, b [[vendor::attribute]], c] = f();
• inspect — более мощная версия switch.
• Стековые сопрограммы (в Си++20 только с бесстековые).
• Проверка параметров функции при компиляции: чтобы проверить, что форматная строка и параметры format соответствуют друг другу, в Си++20 применяются сложные шаблоны. Поддержка со стороны языка упростила бы это.