c++中的requires子句和约束（constraints）如何使用_c++中requires子句与约束使用方法解析

C++20中requires子句和约束用于编译时检查模板参数，提升代码可读性与错误提示清晰度。1. requires关键字引入布尔条件，如template requires std::integral限制T为整型。2. 约束可置于模板后、参数列表中（如template），或组合多个条件（||、&&），还可嵌套requires表达式检查成员函数（如begin/end）。3. 可自定义概念，如concept Addable = requires(T a, T b) { a + b; }，并用于模板参数限制。4. 实际应用于限制容器操作、数值类型性质、替代SFINAE以优化重载选择，使错误信息更明确，如要求迭代器为随机访问类型。约束为静态检查，不涉及运行时开销，显著提升泛型编程安全性与可维护性。

在C++20中，requires子句和约束（constraints）是概念（concepts）体系的重要组成部分，它们用于在编译时对模板参数施加条件限制，提升代码的可读性、可维护性和错误提示的清晰度。下面详细说明它们的使用方法。

1. 什么是requires子句

requires 是一个关键字，用来引入一个布尔类型的编译时判断条件。它可以出现在模板声明中，作为对模板参数的约束。如果表达式为真，模板可以被实例化；否则，不匹配该模板。

最简单的 requires 子句形式如下：

template
requires std::integral
T add(T a, T b) {
    return a + b;
}

这里要求类型 T 必须满足 std::integral 概念，即必须是整型（如 int、long 等）。如果不是，则编译器不会选择这个函数模板，并给出更清晰的错误提示。

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2. 使用约束（Constraints）的多种形式

C++20 提供了多种方式来应用约束，主要包括以下几种写法：

• requires 子句放在模板后

template
requires std::floating_point
T square(T x) { return x * x; }

• 约束放在模板参数列表中（requires前置于typename）

template
T multiply(T a, T b) {
    return a * b;
}

这种写法更简洁，直接将概念作为类型约束。

• 使用多个约束（逻辑组合）

可以用 && 和 || 组合多个条件：

template
requires std::integral || std::floating_point
auto compute(T a, T b) { return a + b; }

也可以用嵌套的 requires 表达式写更复杂的逻辑：

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template
requires requires(T t) { t.begin(); t.end(); }
void advance_forward(T& container) {
    for (auto it = t.begin(); it != t.end(); ++it) {
        // ...
    }
}

这里的外层 requires 引入了一个内层 requires 表达式，检查类型 T 是否有 begin() 和 end() 成员函数。

3. 自定义概念（Concepts）

除了标准库提供的概念（如 std::integral、std::default_constructible 等），你还可以定义自己的概念：

template
concept Addable = requires(T a, T b) {
    a + b;  // 能使用 + 运算符
};
template
T sum(T a, T b) {
return a + b;
}

这样，只有支持 + 操作的类型才能用于 sum 函数。

还可以添加更复杂的检查，比如返回类型：

template
concept Multipliable = requires(T a, T b) {
    { a * b } -> std::convertible_to;  // a*b 的结果应能转换为 T
};

4. 实际应用场景

约束常用于以下场景：

• 限制容器类型必须支持迭代器操作
• 确保数值类型满足特定数学性质
• 提高函数重载的优先级选择（SFINAE 替代方案）
• 让错误信息更清晰：以前模板出错可能是一长串实例化堆栈，现在会直接提示“不满足约束”

例如，编写一个只接受随机访问迭代器的算法：

template
requires std::random_access_iterator
void fast_jump(Iter it, int n) {
    it += n;  // 只有随机访问迭代器支持 +=
}

基本上就这些。通过合理使用 requires 子句和约束，可以让模板编程更安全、直观。关键是理解：约束不是运行时判断，而是编译时的静态检查，配合 concepts 可大幅改善泛型代码质量。