C++20

C++20 — название стандарта ISO/IEC языка программирования C++. Спецификация опубликована в декабре 2020 года.

Комитет по стандартам C++ начал планировать C++20 в июле 2017 года. C++20 является преемником C++17.

Константа  увеличилась до .

Запрещены и удалены

Запрещены операции с volatile 
Так как модификатор  является машинозависимым и семантика операций над ним и количество обращений к памяти не ясны, для межпоточной синхронизации лучше использовать .

Запрещены следующие операции с -переменными:
 операции , ;
 операции  и другие (снят в C++23);
 цепочки присваиваний;
 функции, параметры и возвращаемые значения с модификатором volatile;
 все функции STL, связанные с volatile, кроме некоторых вроде remove_volatile;

Для atomic добавлены дополнительные функции, компенсирующие то, что запретили.

Удалена агрегатная инициализация при наличии пользовательского конструктора 
В предыдущих стандартах агрегатная инициализация разрешалась, если конструктор был помечен как  или , что вводило пользователей в заблуждение: объект инициализируется в обход конструктора.

struct X {
  int a = 0;  
  X() = default;
};

X x { 5 };  // Си++17: OK
            // Си++20: no matching constructor for initialization of 'X'

Удалены запреты из C++17 
Удалены редкие возможности стандартной библиотеки, запрещённые в C++17:
 allocator<void> — оказался невостребованным;
 часть функций allocator — дублируется шаблоном allocator_traits;
 raw_storage_iterator — не вызывает конструкторов и потому ограничен по применению;
 get_temporary_buffer — имеет неочевидные подводные камни;
 is_literal_type — бесполезен для обобщённого кода;
  — из-за ненадёжности в многопоточной среде; если очень надо, используйте ;
 result_of — заменён на invoke_result;
 uncaught_exception() — заменён на uncaught_exceptions.
  — не имеют смысла в Си++.  и прочие оставили для совместимости с Си.

Из языка удалили ремарку , которую ещё в Си++11 заменили на . Если нужна совместимость с Си++03, в заголовках совместимости нужно прописывать что-то вроде
#if __cplusplus < 201103L
  #define noexcept throw()
#endif

Оставили:
 codecvt — на поверку работал очень плохо, комитет призвал пользоваться специализированными библиотеками.
 iterator — проще писать итераторы с нуля, чем основываться на нём.
 потоки  — непонятно, что взамен.
 неявное создание операции «присвоить», если есть конструктор копирования и деструктор (а также конструктора копирования, если есть присваивание и деструктор) — библиотека всё ещё полагается на это поведение.

Прочие запреты из языка 
 Неявный перехват  в лямбда-функциях  — из-за неясной семантики. Существует  для перехвата по указателю и  для перехвата по копии.
 Операция «запятая» в индексах  для любых a, b и c — из-за неочевидного поведения и желания создать новый синтаксис для многомерных массивов. Если очень нужно, пишите .
 Неявные преобразования в перечисляемый тип — для более прогнозируемого поведения новой операции «звездолёт» (, трёхзначное сравнение).
 Сравнение двух массивов — для более прогнозируемого поведения новой операции «звездолёт» (, трёхзначное сравнение). Хотя бы один надо преобразовать в указатель.

Прочие запреты из библиотеки 
  — вместо сложного понятия «простая структура данных» лучше использовать конкретные свойства типа: тривиально строится, тривиально уничтожается и т. д. Если очень надо (например, для передачи данных между плагинами), эквивалентно .
  — новая операция «звездолёт» делает это лучше.
 атомарные возможности  — непонятно, как работать с указателем, атомарно или нет. Лучше это определить системой типов, .
  — теперь решили, что  не будет уменьшать ёмкость.
  — теперь  отличается от .
  — теперь это делает шаблонный конструктор .

Язык

Мелкие изменения 
 Добавлен беззнаковый тип char8_t, способный содержать единицы UTF-8.
 , позволяющий сделать код в ключевых местах менее загромождённым.
 Дополнительная инициализация в for по объекту: . Если возвращаемый  объект временный, его срок жизни расширяется на весь цикл, но другие временные объекты благополучно исчезают, и если временный на поверку f(), запись  ошибочная.

Модули 
Директива компилятора  в своё время была удобным механизмом Си, который, был, по сути, кроссплатформенным ассемблером, «паразитировавшим» на ассемблерных утилитах — линкере и библиотекаре. Отсюда важная черта компиляторов Си — они первыми после ассемблера появлялись на новых платформах. Но с расширением проектов квадратично повышалось время их компиляции: увеличивалось как количество единиц трансляции, так и количество подключённых к ним заголовков. Механизм модулей был долгим объектом споров ещё со времён Си++11.

В Си++20 он вошёл в таком виде:

// helloworld.cpp
export module helloworld;  // module declaration
import <iostream>;         // import declaration
 
export void hello() {      // export declaration
    std::cout << "Hello world!\n";
}

Сопрограммы 
Сопрограмма — это специальная бесстековая функция, которая может приостановить своё исполнение, пока выполняется другая функция. Состояние сопрограммы хранится в динамической памяти (кроме случаев, когда оптимизатору удалось избавиться от выделения). Выглядит как обычная функция, но содержит особые сопрограммные ключевые слова .
task<> tcp_echo_server() {
  char data[1024];
  for (;;) {
    size_t n = co_await socket.async_read_some(buffer(data));
    co_await async_write(socket, buffer(data, n));
  }
}
Физически сопрограмма — это функция, возвращающая свежесозданный объект-обещание. Каждый раз, когда пользователь делает что-то с объектом-обещанием, управление передаётся коду сопрограммы. В библиотеке должны быть доступны несколько стандартных обещаний — например,  обеспечивает ленивое вычисление.

По факту на Си++23 стандартная библиотека сопрограмм не выработана, и слово за экспериментаторами.

typename объявлен излишним там, где допустим только тип 
В некоторых местах шаблонов слово  (объяснение, что  — это тип, а не функция) больше не требуется. К таким местам относятся…
 тип после  — 
 тип в  — 
 заключительный возвращаемый тип ;
 тип по умолчанию в шаблоне 
 тип в static_cast, const_cast, reinterpret_cast, dynamic_cast — 
 тип переменной/функции в пространстве имён (в том числе в глобальном) или классе — 
 тип параметра функции/шаблона, если есть идентификатор (кроме выражений, связанных с вычислением значения параметра по умолчанию) — 

template<class T> T::R f();      // Теперь OK, тип в глобальном пространстве имён
template<class T> void f(T::R);  // Нужен typename, без него это попытка создания void-переменной, инициализированной T::R
template<class T> struct S {
  using Ptr = PtrTraits<T>::Ptr; // Теперь OK, тип в using
  T::R f(T::P p) {               // Теперь OK, тип в классе
    return static_cast<T::R>(p); // Теперь OK, static_cast
  }
  auto g() -> S<T*>::Ptr;       // Теперь OK, заключительный возвращаемый тип
};
template<typename T> void f() {
  void (*pf)(T::X);   // Остаётся OK, переменная типа void*, инициализированная T::X
  void g(T::X);       // Нужен typename, без него это попытка создания void-переменной, инициализированной T::X
}

Вычисление размера массива в new 
Размер массива в операторе new теперь дедуктируется автоматически
double a[]{1,2,3};                // Остаётся OK
double* p = new double[]{1,2,3};  // Теперь OK

Новые атрибуты 
  — переменная без данных может не занимать места, а в «дырах» переменной с данными можно держать другие переменные. Но: переменные одного типа никогда не могут находиться по одному адресу.
 template <class Allocator> class Storage {
private:
  [[no_unique_address]] Allocator alloc;
};
  — расширение одноимённого атрибута Си++17. Указывает, что возвращаемое функцией значение нельзя игнорировать, и выводит причину.
 class XmlReader {  // считыватель XML потокового типа
public:
  [[nodiscard("Проверьте результат или используйте requireTag")]] bool getTag(const char* name);

  void requireTag(const char* name) {
    if (!getTag(name))
      throw std::logic_error(std::string("requireTag: ") + name + " not found");
  }
};
  — отмечают, под какие ветви надо оптимизировать программу для лучшей работы предсказателя переходов. Эта методика фактически уже реализована в некоторых компиляторах, см. например __builtin_expect в GCC.
 if (x > y) [[unlikely]] {
  std::cout << "Редко случается" << std::endl;
} else [[likely]] {
  std::cout << "Часто случается" << std::endl;
}

Расширен constexpr 
В constexpr разрешено:
 вызывать виртуальные функции;
 вызывать деструкторы, которые тоже должны быть ;
 работать с ;
 работать с  — блок перехвата ничего не делает, а выброс исключения в таком контексте, как и раньше, вычислит функцию при исполнении;
 использовать  и ;
 , с некоторыми ограничениями;
 , если тот не вызывается при компиляции;
 неинициализированные переменные.

Подобная конструкция в теории позволит, например, делать, чтобы константный std::vector просто указывал на память соответствующего std::initializer_list, а обычный неконстантный — отводил динамическую память.

Расширен вызов лямбда-функций при компиляции — например, можно отсортировать std::tuple.

Ключевые слова consteval и constinit 
constexpr-код не обязан вызываться при компиляции, и достаточно написать , чтобы constexpr-цепочка оборвалась на конструкторе std::set и произошла инициализация при выполнении. Иногда это нежелательно — если переменная используется при инициализации программы (известный недостаток Си++ — неконтролируемый порядок инициализации CPP-файлов), большая (например, большая таблица) или трудновычисляемая (инициализация той же таблицы, проводящаяся за O(n²)). И у программистов бывает просто спортивный интерес перенести код в компиляцию. Чтобы дать уверенность, используются два новых ключевых слова:
  в функциях: требует, чтобы функция выполнялась при компиляции. Вызов из контекста, невыполнимого при компиляции, запрещён. В заголовках совместимости со старыми компиляторами заменяется на .
  в переменной: требует, чтобы переменная вычислилась при компиляции. В заголовках совместимости со старыми компиляторами заменяется на пустую строку.

consteval int sqr(int n)
  { return n * n; }
 
constinit const auto res2 = sqr(5);

int main()
{
  int n;
  std::cin >> n;
  std::cout << sqr(n) << std::endl;   // ошибка, невычислимо при компиляции
}

explicit (bool) 
Ключевое слово  можно писать вместе с константным булевским выражением: если оно истинно, преобразование возможно только явно. Упрощает метапрограммирование, заменяет идиому SFINAE.
// Было, std::forward опущен для краткости
template<class T> struct Wrapper {
  template<class U, std::enable_if_t<std::is_convertible_v<U, T>>* = nullptr>
  Wrapper(U const& u) : t_(u) {}
  
  template<class U, std::enable_if_t<!std::is_convertible_v<U, T>>* = nullptr>
  explicit Wrapper(U const& u) : t_(u) {}

  T t_;
};

// Стало
template<class T> struct Wrapper { 
  template<class U> 
  explicit(!std::is_convertible_v<U, T>) 
    Wrapper(U const& u) : t_(u) {} 

  T t_; 
};

Трёхзначное сравнение («звездолёт») 
Операция  позволяет сравнивать объекты по одному из трёх методов:
 Частичный порядок: меньше, эквивалентны, больше, несравнимы.
 Слабый порядок: меньше, эквивалентны, больше. Может случиться, что у эквивалентных объектов значение какого-то общедоступного поля или функции может разниться. Понятие «эквивалентны» транзитивно.
 Сильный (линейный) порядок (меньше, равны, больше). Равные объекты различимы разве что по адресу.

class PersonInFamilyTree { // ...
public:
  std::partial_ordering operator<=>(const PersonInFamilyTree& that) const {
    if (this->is_the_same_person_as ( that)) return partial_ordering::equivalent;
    if (this->is_transitive_child_of( that)) return partial_ordering::less;
    if (that. is_transitive_child_of(*this)) return partial_ordering::greater;
    return partial_ordering::unordered;
  }
};
Название «звездолёт» произошло из старой игры по «Звёздному пути» — этими тремя символами обозначался «Энтерпрайз».

Версия операции «звездолёт» с телом  просто сравнивает все поля в порядке объявления. Также возможна операция «равняется» с телом , она также сравнивает все поля в порядке объявления и автоматически объявляет операцию «не равняется».

Концепции 

Концепция — требования к параметрам шаблона, чтобы этот шаблон имел смысл. Большую часть жизни Си++ концепция описывалась устно, со сложными ошибками в заведомо действующих заголовках вроде STL, если программист не вписался в концепцию. Если же программист сам пишет шаблон, он может случайно выйти из концепции и не увидеть это на тестовой программе, ведь простейшие типы вроде  имеют множество функций по умолчанию вроде конструктора копирования, присваивания, арифметических операций.
template <class T>
concept bool EqualityComparable() { 
    return requires(T a, T b) {
        {a == b} -> Boolean;  // Концепция, означающая тип, преобразуемый в boolean
        {a != b} -> Boolean;
    };
}

Строковые константы как параметры шаблона 
Обработка строк при компиляции была давней мечтой Си++, и очередной шажок к ней — строковые константы в шаблонах. В частности, хотелось бы преобразовывать регулярные выражения в байт-код уже при компиляции. На экспериментальных библиотеках регулярных выражений уже видели ускорение до 3000 раз по сравнению с std::regex.
template <auto& str>
void f() {
  // str = char const (&)[7]
}
f<"foobar">();

Именованная инициализация структур 
Порядковая инициализация структур Си  ошибкоопасна, если ожидается расширение структуры или два соседних элемента можно спутать. В новый стандарт добавилось , давно существовавшее в Си, но не формализированное в Си++.

Кроме того, такая конструкция позволяет инициализировать именно тот вариант , который нужно.
union FloatInt {
  float asFloat;
  int32_t asInt;
};
FloatInt x { .asInt = 42 };

Удалены по сравнению с Си:
 именованная инициализация массивов  — начиная с Си++11 квадратные скобки в начале выражения означают лямбда-функцию.
 объявление не по порядку  — конфликтует с автодеструкторами Си++: сконструировали в одном порядке, разрушили в другом?
 именованная инициализация элементов вложенной структуры  — редко используются
 смешение именованной и порядковой инициализации:

Изменения в лямбда-функциях 

Лямбда-функции появились в Си++11 вдогонку за другими языками программирования. Решают сразу несколько вопросов: заменяют препроцессор, если надо исполнить один и тот же код в двух местах функции, а в отдельный объект/функцию вынести трудоёмко; переносят текст функции ближе к тому месту, где он требуется; позволяют писать в функциональном стиле. Названы так в честь лямбда-исчисления, одной из основ функционального программирования.

Явный перехват объекта в лямбда-функции [=, this](){} и [=, *this](){}. Как сказано выше, неявный перехват  в лямбда-функциях запретили.

Традиционный синтаксис лямбда-шаблонов вместо Си++14 . Этот синтаксис удобнее, если нужно сделать самопроверку, или вычислить какой-нибудь производный тип.
// Было
auto f = [](auto vector) {
  using T = typename decltype(vector)::value_type;
  ...
};

// Стало
auto f = []<typename T>(std::vector<T> vector) {
  ...
};

Лямбда-функции в невычисляемых контекстах:  сигнатурах, возвращаемых типах, параметрах шаблонов.
    std::priority_queue<
        int,                                  // тип элемента
        std::vector<int>,                     // тип контейнера
        decltype( [](int a, int b)->bool{     // тип функции сравнения элементов
                   return a>b;
        })>  q;

Чтобы этот код работал, нужно ещё одно изменение — лямбда-функция без перехватов теперь имеет конструктор по умолчанию и операцию присваивания. Все экземпляры этого псевдокласса выполняют одно и то же, и никак нельзя заставить данную очередь с приоритетами сравнивать в другом порядке. Конструкторы копирования и перемещения были изначально у всех лямбда-функций.

В списке перехвата лямбда-функции теперь можно держать операцию развёртывания вариативной части — раньше для этого приходилось подключать объект-кортеж. Например, данный шаблон возвращает лямбда-функцию, которую при желании можно вызвать когда угодно — она вызывает функцию foo() и уже содержит копии всех нужных для вызова данных.
// Было
template <class... Args>
auto delay_invoke_foo(Args... args) {
    return [tup=std::make_tuple(std::move(args)...)]() -> decltype(auto) {
        return std::apply([](auto const&... args) -> decltype(auto) {
            return foo(args...);
        }, tup);
    };
}

// Стало
template <class... Args>
auto delay_invoke_foo(Args... args) {
    return [args=std::move(args)...]() -> decltype(auto) {
        return foo(args...);
    };
}

Редакционные правки

Новые условия неявного перемещения 
Уточнены условия, когда требуется неявно перемещать объект, особенно при выбросе исключений:
void f() {
  T x;
  try {
    T y;
    try {g(x);}
    catch(...) {
      if(/*...*/)
        throw x;    // не переместит — x снаружи try-блока
      throw y;      // переместит — y внутри try-блока
    }
    g(y);
  } catch(...) {
    g(x);
    // g(y); // ошибка
  }
}

Числа со знаком — дополнительный код 
Когда язык Си только зарождался, существовал «зоопарк» разных машин, и учебная машина MIX, придуманная Дональдом Кнутом, отражала это — байт мог хранить от 64 до 100 разных значений, а формат знаковых чисел не оговаривался. За сорок с лишним лет остановились на 8-битном байте и дополнительном коде, в первую очередь из-за простоты и интероперабельности, и это отметили в стандарте.

Арифметическое переполнение в беззнаковой арифметике эквивалентно операциям по модулю, в знаковой — неопределённое поведение.

Новая модель памяти 
Устно нерекомендуемый с Си++17 , предназначенный для PowerPC и ARM, формализован и возвращается в обиход. Усилен .

Библиотека

Мелкие изменения 
 Новые версии , связанные с массивами.
  и .
 , объект, позволяющий сделать атомарным что угодно.
 , , упрощают метапрограммирование.
 .
 Новый заголовок  — стандартное место для объявлений, связанных с развитием конкретной стандартной библиотеки. Объявления определяются реализацией.
  — преобразование указателеподобного объекта в указатель.  уже есть, но он требует разыменования, что может стать неопределённым поведением.
 Новые  для проверки функциональности компилятора и библиотеки. Стандарты Си++ огромны, и не все разработчики компиляторов быстро вносят их в свои продукты. А некоторые — сбор мусора Си++11 — остаются заглушками и поныне (2021), не реализованные ни в одном компиляторе.
 Упрощённый карринг через .
  — обёртка макросов  и подобных на Си++.
 Новый заголовок  с математическими константами. До этого даже обычные π и e существовали только как расширения.

Объявление функций constexpr 
 .
  и некоторые другие. Запись  вместо  стала стандартной ошибкой Си++, и она объявлена .
 .
 конструкторы-деструкторы std::vector и std::string, следствие послаблений в constexpr. На момент проверки (май 2020) ни один компилятор этого не поддерживает.

Библиотека форматирования 
printf слишком низкоуровневый, опасный и нерасширяемый. Стандартные возможности Си++ позволяют только склеивать строки и потому неудобны для локализации.

Потому в Си++20 сделали более типобезопасный механизм форматирования строк, основанный на Python.
char c = 120;
auto s1 = std::format("{:+06d}", c);   // "+00120"
auto s2 = std::format("{:#06x}", 0xa); // "0x000a"
auto s3 = std::format("{:<06}", -42);  // "-42   " (0 игнорируется из-за выравнивания <)

Возможности:
 Один и тот же параметр можно форматировать сколько угодно раз разными способами.
 Подстановки можно переставлять местами.
 Выравнивание слева, по центру и справа, любым символом.
 По умолчанию числа, даты и прочее форматируются локале-нейтрально; если нужна локализация — это задаётся явно.
 Работает через шаблоны и потому расширяется на любые типы.
 Скобки можно заэкранировать {{  }}.

Невладеющие указатели на массив (span) 
std::string_view оказался отличным объектом, и сделали аналогичное для массивов — std::span. При этом span может изменять содержимое памяти, в отличие от string_view.

void do_something(std::span<int> p) {
    std2::sort(p);
    for (int& v: p) {
        v += p[0];
    }
}
// ...
std::vector<int> v;
do_something(v);

int data[1024];
do_something(data);

boost::container::small_vector<int, 32> sm;
do_something(sm);

Библиотека работы с битами <bit> 
 Подсчёт количества битов
 Округление до степени двойки
 Преобразование «бит в бит» из одного типа в другой (см. Быстрый обратный квадратный корень)
 Циклический сдвиг, стандартная функция многих процессоров
 Определение порядка байтов целевой машины

Библиотека работы с синхронизированными «потоками вывода» <syncstream> 
Поток вывода, как правило, своими силами отрабатывает доступ из разных потоков исполнения. При многопоточном протоколировании возникает задача: собрать данные (например, строку текста) в буфер достаточной длины и одной операцией вывести их в поток.

Для этого используется несложный класс, являющийся потомком .
osyncstream{cout} << "The answer is " << 6*7 << endl;

Весь вывод в подчинённый поток происходит одной операцией в деструкторе.

Библиотека диапазонов <ranges> 
Сложная библиотека используется там, где нужно единообразно получить доступ, например, к std::vector и std::deque.

Библиотека календарей и часовых поясов в <chrono> 
Сложная библиотека для календарных расчётов.
auto d1 = 2018_y / mar / 27;
auto d2 = 27_d / mar / 2018;
auto d3 = mar / 27 / 2018;
year_month_day today = floor<days>(system_clock::now());
 
assert(d1 == d2);
assert(d2 == d3);
assert(d3 == today);

Расширенная библиотека потоков <jthread>, <stop_token> 
Буква j означает join — то есть при уничтожении объекта-потока система дожидается окончания задачи.

Кроме того, с помощью библиотеки  можно попросить поток остановиться.

#include <thread>
#include <iostream>
 
using namespace std::literals::chrono_literals;
 
void f(std::stop_token stop_token, int value)
{
    while (!stop_token.stop_requested()) {
        std::cout << value++ << ' ' << std::flush;
        std::this_thread::sleep_for(200ms);
    }
    std::cout << std::endl;
}
 
int main()
{
    std::jthread thread(f, 5); // prints 5 6 7 8... for approximately 3 seconds
    std::this_thread::sleep_for(3s);
    // The destructor of jthread calls request_stop() and join().
}

Барьеры и засовы 

Барьер (barrier) — механизм межпоточной блокирующей синхронизации, действующий так: как только у барьера соберутся n потоков, он исполнит объект-функцию и отпустит их. Обычно используется для периодической координации частично распараллеливаемых задач: после того, как потоки исполнят каждый свою долю, срабатывает координатор и решает, что делать дальше.

Засов (latch) — облегчённый одноразовый барьер.

Разнородный поиск в unordered_set/map 

Основное назначение: ключи хранения — «тяжёлые» объекты (например, string), но в качестве ключа поиска допустимы и облегчённые: string_view и даже const char*. Реализовано оно крайне просто: добавлена шаблонная функция find, принимающая любой тип, сам же разнородный поиск включается типом-маркером . Поддерживаются четыре функции: find, count, equal_range, contains. В Си++23 ожидается больше функций, поддерживающих разнородный поиск — например, erase.

Для самобалансирующихся деревьев поиска (set/map) реализовано в Си++14. 

Эта функция не включена по умолчанию из-за ошибкоопасности: преобразование типов может не сохранять те соотношения, на которых работает контейнер. Например, , но . Потому поиск дробного числа в  приведёт не к тому, что надо. Так что программист сам должен допустить те альтернативные ключи, которые заведомо годятся.

struct string_hash {
  using is_transparent = void;
  [[nodiscard]] size_t operator()(const char *txt) const {
    return std::hash<std::string_view>{}(txt);
  }
  [[nodiscard]] size_t operator()(std::string_view txt) const {
    return std::hash<std::string_view>{}(txt);
  }
  [[nodiscard]] size_t operator()(const std::string &txt) const {
    return std::hash<std::string>{}(txt);
  }
};

std::unordered_map<std::string, int, string_hash, std::equal_to<>> m { 
    { "Hello Super Long String", 1 }, 
    { "Another Longish String", 2 }, 
    {"This cannot fall into SSO buffer", 3 }
};

bool found = m.contains("Hello Super Long String");
std::cout << "Found: " << std::boolalpha << found << '\n';

Реализованы как экспериментальные библиотеки 
 Параллелизм v2, в том числе task blocks. Версия 1 внесена в Си++17.
 Рефлексия v1
 Сеть v1

Оставлены на будущее 
 Контракты — есть конкурирующее предложение
 Метаклассы
 Исполнители
 Свойства
 Расширенные future

См. также 
 C++
 C++11
 C++17

Примечания 

C++