C++26

C++26 или C++2c (латиницей), или Си++26 (кириллицей) — ожидаемый стандарт языка программирования C++. Разработка началась сразу же после того, как в феврале 2023 года зафиксировали Си++23.

Название

Си++0x должен был приблизить порядком устаревший Си++ к современным языкам, непрерывно разрабатываемым под руководством единоличника. (Си++ разрабатывается комитетом и есть много реализаций — в отличие от, например, Python.) Но стандарт запоздал, и с версии 14 новый язык выпускают не «когда готово», а раз в три года, при этом последний год — только доводка. Потому ещё до окончания работы над версией 23 стандарт называли «Си++26».

Заседания

1. 12…16 июня 2023, Варна (Болгария) — первое после пандемии КОВИДа очное заседание.
2. 6…11 ноября 2023, Каилуа-Кона (Гавайи, США)
3. 18…23 марта 2024, Токио (Япония).
4. Июнь 2024, Сент-Луис (Миссури, США) — ожидается
5. Ноябрь 2024, Вроцлав (Польша) — ожидается

Запрещены и удалены

Удалены из языка

• Любые операции между enum и дробным; enum и другим enum. Ошибкоопасное наследие Си. Запрещены в Си++20, операция «звездолёт» <=> никогда не разрешалась. Использовать явное преобразование типов. Может бросить тень на совместимость с Си, обходится легко: +C1 + C2.
• Функции больше не могут возвращать ссылку на временный объект. На стековый пока ещё могут.

Диагностика доступа до инициализации

Доступ до инициализации — это известный источник ошибок, и теперь запрещён в очень ограниченном виде — только на стеке. Если действительно неопределённое значение нужно — использовать новый атрибут [[indeterminate]].

union всегда считается инициализированным полностью. На объекты в «куче» диагностика не распространяется.

void h() {
  int d1, d2;

  int e1 = d1;           // теперь ошибка
  int e2 = d1;           // теперь ошибка

  assert(e1 == e2);      // выполняется, OK
  assert(e1 == d1);      // выполняется, ошибка
  assert(e2 == d1);      // выполняется, ошибка

  std::memcpy(&d2, &d1, sizeof(int)); // OK, но у d2 теперь ошибочное значение
  assert(e1 == d2);      // выполняется, ошибка
  assert(e2 == d2);      // выполняется, ошибка
}

void f(int);

void g() {
  int x [[indeterminate]], y;
  f(y);     // ошибка
  f(x);     // неопределённое поведение
}

Удалены из библиотеки

• Весь заголовок <codecvt> — нет обработки ошибок. При преобразовании кодировок, даже разных форматов сериализации Юникода вроде UTF-8→16, в зависимости от того, откуда источник взялся, какой вред может нанести и что лучше для пользователя, возможно: объявить общую аварию программы, сообщить о плохих данных, опустить неудачные последовательности, поставить на их месте U+FFFD � replacement character или что-то ещё. Запрещён в Си++17. Использовать внешние, более управляемые функции.
• allocator<T>::is_always_equal. Ошибкоопасен при наследовании от аллокатора, в котором этот is_always_equal есть. Запрещён в Си++20, для проверки возможностей аллокатора использовать allocator_traits. Использовать в собственных аллокаторах, когда это действительно играет роль.
• string.reserve() без параметров, эквивалентный reserve(0). Со старым API строк (Си++98…17) использовалось как shrink_to_fit, им же и заменено. В Си++20 reserve больше не укорачивает строку, а данную перегрузку запретили.
• strstream — запрещён давным-давно в Си++98 из-за опасности переполнения буфера. Использовать spanstream (Си++20).
• wstring_convert (заголовок <locale>) — запрещён в Си++17 из-за сложности.
• Атомарный API shared_ptr — запрещён в Си++20, использовать atomic.

Снят запрет

• polymorphic_allocator.destroy — запрещено в Си++20. Пусть это же можно сделать и через allocator_traits, так короче.

Язык

Разные изменения в языке

• Параметром-значением в шаблонах (non-type template parameter) может стать и вызов конструктора. Указано, когда такой вызов возможен, а когда нет.
• Получение i-го объекта пакета параметров как void f(T&&... t) { g(std::forward<T...[0]>(t...[0])); }. Формально это несколько бьёт по имеющемуся коду: void f(T...[0]){} представляло собой параметры без имён — пакет массивов, но по факту даже не компилировалось в MSVC и G++. C# и D поддерживают и i-й параметр с конца, но отрицательные числа для этого ошибкоопасны, а более сложный синтаксис решено не просить. Главная причина — ускорение компиляции: пакетные шаблоны часто исполняются за O(n²) и с глубокой вложенностью.
• Теперь можно навешивать атрибуты и на структурные переменные: auto [a, b [[vendor::attribute]], c] = f();. Конкретного назначения пока нет, и единственный стандартный атрибут, который теоретически имеет смысл,— [[maybe_unused]].
• =delete("причина"). Например: A<T> factory(const T&&) = delete("Опасно висячими ссылками");.

Конструируемые строки в static_assert

Для начала придумали понятие «невычисляемая строка» (unevaluated string): закавыченная строка, значение которой не проходит в скомпилированную программу, а нужно только компилятору. Они являются частью _Pragma, asm, [[nodiscard]]… — и, конечно, static_assert. Им запрещается иметь префикс кодировки.

Впоследствии позволили в static_assert любую константно вычисляемую строку:

// Было
template <typename T, auto Expected, unsigned long Size = sizeof(T)>
constexpr bool ensure_size() {
  static_assert(sizeof(T) == Expected, "Unexpected sizeof");
  return true;
}
static_assert(ensure_size<S, 1>());
// Остаётся надеяться, что компилятор напишет, что дело было в ensure_size<int, 1, 4>

// Стало
static_assert(sizeof(S) == 1,
    std::format("Unexpected sizeof: expected 1, got {}", sizeof(S));
// Unexpected sizeof: expected 1, got 4

constexpr format намеренно не внесён, но его прообраз, библиотека libfmt, уже способна на constexpr.

Имя _ может повторяться

auto [x, y, _] = f(); — давно устоявшаяся манера программирования, когда функция возвращает три поля, а нужны два, особенно если возвращается неговорящий тип вроде tuple. Второй вариант — когда нужен именованный объект, но имя не важно: захват мьютекса lock_guard _(someMutex). На случай, когда таких подчерков несколько, идиому расширили:

namespace a {
  auto _ = f();
  auto _ = f(); // Остаётся ошибка: с глобальными переменными не работает
}
int _;
void f() {
  using ::_;   // Остаётся OK, добавление в пространство имён постороннего символа
  auto _ = 42; // Теперь OK
  using ::_;   // Остаётся ошибка: using _ разрешено только до локальной _
  auto _ = 0;  // Теперь OK
  static int _; // Остаётся ошибка: статическим переменным нужно говорящее имя
  {
    auto _ = 1;       // Остаётся OK, замещение
    assert( _ == 1 ); // Остаётся OK, имеем дело с замещённой переменной
  }
  assert( _ == 42 );  // Ошибка: которая из двух?
}
enum MmapBits {
  Shared,
  Private,
  _,
  _,   // OK: пропустить два
  Fixed,
  Rename,
};

Для функций, типов, using и концепций новый механизм бесполезен: этим объектам либо нужно говорящее имя, либо Си++ уже даёт подходящие механизмы вроде безымянных типов.

Расширен constexpr

• Преобразование указателей в void*, а потом обратно в свой тип. Преобразование в посторонние типы неконстантно. Используется для так называемого стирания типа — при выполнении информация хранится в переменной общего типа, но её обработка выстраивается так, что все преобразования в исходный тип верны. (Так устроены, например, обобщённые типы Java.) В CLang механизм уже есть (потребовался для выделения памяти) и вынести наружу ничего не стоит, G++ и EDG не видят препятствий. По заявлениям Г. Саттера, это шаг к constexpr format.

Вариативный friend

Одно из назначений оператора friend — объекты-утилиты, сделанные через рекурсивные шаблоны. Если шаблон вариативный, то и его друзья тоже вариативны.

Пример: так называемый passkey, идиома Си++, используемая, если скрытую функцию надо вызвать из шаблона (обычно make_unique/make_shared). Чтобы шаблон имел к ней доступ, функция должна быть общедоступной, и скрывают не её, а параметр-затычку, так называемый passkey, который так просто не получишь.

// Вариативный passkey
template<class... Ts>
class Passkey {
  friend Ts...;
  Passkey() {}
};

class C {
public:
  // Можно вызвать только из Blarg, Blip и Baz
  void intentional(Passkey<Blarg, Blip, Baz>);
};

// Раскрыть класс для внутреннего объекта
template<class... Ts>
struct VS {
  template<class U>
  friend class C<Ts>::Nested...;
};

Редакционные правки

• Стандартизирован лексический анализатор: сращиванием строк текста через \⤶ и склеиванием лексем через препроцессорное ## можно получить имя символа; переводы строк внутри закавыченной строки запрещены. Это статус-кво, поддерживаемый G++, CLang и EDG.
• Некодируемые строковые литералы (например, из-за отсутствия конкретного символа в кодировке исполнения) запрещены.
• Уточнены правила игнорирования стандартных атрибутов:
  • Атрибут должен быть синтаксически корректным по правилам текущего Си++ — иначе ошибка. (Уже в Си++23 и только добавлено примечание.)
  • Убирание атрибута из корректной программы может менять её внешнее поведение, но не может придумывать новое — лишь ограничивать до одного из допустимых вариантов, когда атрибут есть. (Также в Си++23.)
  • Псевдофункция препроцессора __has_cpp_attribute должна проверять, реагирует ли компилятор на данный атрибут (а не разбирает ли) — а если разбирает, но не реагирует, атрибут бесполезен и макросы совместимости должны развёртываться в компиляторозависимые функции вроде __builtin_assume. (А это новое правило.)
• Экземпляры initializer_list по возможности хранятся в сегменте данных, желательно неизменяемом.
• Требования к generate_canonical переписаны так, чтобы сохранялись статистические свойства на всём диапазоне [0,1) — и результирующее число никогда из-за недостатков дробной арифметики не стало бы единицей.
• Переписано, когда можно опускать скобки при агрегатной инициализации: Point x[2] = { 1, 2, 3, 4 };.
• Заголовок модуля не может быть макросом — это усложняет его обработку системой сборки. Импорт может — не вызывает таких сложностей.
• Пустой бесконечный цикл — больше не неопределённое поведение. CLang в таких ситуациях «ухитрялся» исполнить посторонний код.

Гармонизация с Си

• В набор символов внесены остатки печатного ASCII @$`, которые когда-нибудь на что-нибудь пригодятся. Ранее в Си23 добавили @$, в первую очередь из-за EBCDIC, где в разных вариантах «собака» в разных местах и надо её идентифицировать и корректно перекодировать.
• Выкинут strtok из автономной библиотеки вслед за Си — содержит внутреннее состояние. Большинство реализаций используют потоколокальные переменные, которые в автономной среде могут отсутствовать.
• Переписан макрос assert, чтобы лучше поддерживались шаблоны и многомерная индексация, коих просто не существовало на момент появления препроцессора Си.

Библиотека

Разные изменения в библиотеке

• Простейшая библиотека идентификации кодировки исполнения.
• Получение системного дескриптора из fstream. Может использоваться в высоконадёжном программировании, когда надо гарантированно записать данные на диск.
• Поддержка отладчика. Новый заголовочный файл <debugging> с тремя функциями: breakpoint(), breakpoint_if_debugging(), bool is_debugger_present().

Автономная библиотека

Автономная (freestanding) библиотека не полагается на системные вызовы (даже выделение памяти), выброс исключений (требует серьёзной работы со стеком), может быть написана даже на чистом Си++ и потому полностью кроссплатформенна.

• Возможен (не обязателен) operator new, возвращающий nullptr, приводящий к системной аварии или делающий что угодно по желанию реализатора. Добавлен макрос __cpp_lib_has_default_operator_new, проверяющий, возможно ли выделение памяти — например, вместо динамического std::vector могут использоваться массивы ограниченного размера.
• Множество функций Си, включая строковые и математические, а также <charconv> и char_traits.
• algorithm, array, optional, variant, string_view. Переписаны монадные функции optional так, чтобы не ссылались на неавтономный (выбрасывающий исключения) value.
• expected, span, mdspan.
• Выкинут strtok вслед за Си — качественная реализация использует потоколокальные переменные, которые в автономной среде могут отсутствовать.

Новые constexpr

• Устойчивая сортировка.
• consteval bool is_within_lifetime(&union_.field) — «волшебная» (реализованная внутри компилятора) функция, проверяющая, держит ли union то или иное поле. Тип union при компиляции изначально (с Си++11) помеченный на манер variant, Си++20 позволил менять активное поле при компиляции, а доступ к другому полю отключает constexpr. Используется для экстремальной оптимизации по памяти с сохранением константности — например, для однобайтового optional<bool>.
• Больше математических функций, включая комплексные.

Перевод данных в строку и наоборот

• from_chars_result получил operator bool — проверку кода ошибки.
• to_string для дробных выдаёт то же, что и format("{}", x) — в компактном нелокализованном виде. Ранее он был унифицирован с printf("%f", x), то есть обращался к глобальной локали (ненадёжно, да и вычисление нужных параметров локали затратно) и плохо работал со слишком большими/малыми числами.
• stringstream можно инициализировать строками string_view.
• То же самое с bitset.
• string + string_view. Изначально в операции отказали из-за особенностей архитектуры LLVM — всё, что можно, она исполняет «лениво», и append точками следования фиксирует, где исполнять, а сложение в большом выражении может выйти за время жизни string_view. Так что целых пять редакций — это попытка найти наиболее удачную реализацию.

format

• Унифицировано форматирование указателей.
• Параметры ширины теперь также проверяются при компиляции.
• Форматирование строк, заранее не известных: std::vformat(str, std::make_format_args(path.string())); → std::format(std::runtime_format(str), path.string());. Первое предназначено для писателей своих обёрток над форматированием вроде doLog(str, args...), а не для конечных пользователей, и склонно к ошибкам: make_format_args содержит string_view, и если его вытащить в отдельную переменную, string_view будет жить дольше, чем временная строка. Для надёжности тонкая обёртка runtime_format_string принимается только по временной ссылке.
• В само́м make_format_args избавились от std::forward и временных объектов, делая форматирование более устойчивым к висячим ссылкам.
• Серьёзная ошибка, ранее случившаяся в fmt: кодовые единицы char, будучи отформатированы как числа или с «широкой» форматной строкой, выдавали зависящий от реализации вид. Теперь char, отформатированный как число, будет unsigned; отформатированный как символ в широком контексте — символом с кодом 0…255.
• Форматирование path.

print

• println() без параметров.
• print может захватывать или не захватывать мьютекс вывода в зависимости от того, как происходит преобразование: преобразовать в строку целиком, потом вывести (например, для чисел), или параллельно преобразование-вывод (например, для массивов).

Изменения в функциональном программировании

• Добавлена copyable_function, построенная по принципу новой move_only_function (Си++23) и значительно более лёгкая, чем function (Си++11). Последнюю всё-таки решили не запрещать.
• Добавлена совсем лёгкая function_ref, не инкапсулирующая вызываемый объект, а просто ссылающаяся на него.
• Добавлен облегчённый шаблонный карринг через bind_front, если вызываемый объект (например, слот Qt) вычисляется раз и навсегда при компиляции.
• This-параметры из Си++23 позволили внести одну из перегрузок visit внутрь variant.

Хранение данных

• Добавлен hash для календарных типов.
• Добавлен weak_ptr.owner_hash и несколько других подобных функций.
• Закончен разнородный поиск в [unordered_]set/map: добавлены шаблонные insert, insert_or_assign, try_emplace, operator[], bucket. Разнородный поиск начат в Си++14, и позволяет хранить с «тяжёлыми» ключами (string), а искать по «лёгким» (string_view или даже const char*).
• Операции сравнения для reference_wrapper.
• Возможность писать std::find(v.begin(), v.end(), {3, 4});. Для этого всего лишь в шаблоны типа template<class T, class Allocator, class U> добавили class U=T.

Диапазоны и другие представления данных

• Переписан projected (внутренний тип библиотеки диапазонов), лучше работающий с указателями на недоопределённые классы (class Opaque;). Многие из функций диапазонов не работали там, где работал «голый» STL.
• Комплексным числам добавлено get<0> и <1>, как обычным кортежам (tuples).
• basic_const_iterator можно получить из неконстантного собрата.
• views::concat.
• ranges::generate_random.

span и mdspan

• Функция submdspan, производящая слайсинг многомерных массивов. На выходе получается mdspan (Си++23), возможно, с нестандартным типом внутри.
• Конструктор span(initalizer_list), не требующий промежуточного объекта вроде массива.
• span.at(i), выкидывающий аварию.
• mdspan с излишним выравниванием.
• Улучшено угадывание статических габаритов mdspan, если таковые имеются.

Примитивы неблокирующей синхронизации

• atomic_fetch_min/max — вычисление минимума/максимума атомарной переменной и обычной, и запись полученного обратно в атомарную.

Read-copy-update

Объект хранится в динамической памяти. Как только этот объект изменили, создают новый такой же, а старый, когда можно, удаляют.

// Было — блокирующая версия
Data* data_;
std::shared_mutex m_;

template <typename Func>
auto reader_op(Func fn) {
  std::shared_lock<std::shared_mutex> l(m_);
  Data* p = data_;
  return fn(p);
}

void update(Data* newdata) {
  Data* olddata;
  { std::unique_lock<std::shared_mutex> wlock(m_);
    olddata = std::exchange(data_, newdata);
  }
  delete olddata;
}

// Стало — не блокируются только читатели
std::atomic<Data*> data_;

template <typename Func>
auto reader_op(Func fn) {
  std::scoped_lock l(std::rcu_default_domain());
  Data* p = data_;
  return fn(p);
}

void update(Data* newdata) {
  Data* olddata = data_.exchange(newdata);
  std::rcu_synchronize();
  delete olddata;
}

Hazard pointer

Главный недостаток идиомы read-copy-update в данном исполнении — не ждут только читатели, писатель может надолго «зависать». Это «зависание» означает, что другие читатели работают и держат объект, но не всегда допустимо.

Hazard pointer дополнительно следит, какие потоки пользуются тем или иным объектом, и как только объект перестаёт использоваться, он исчезает.

Идиома похожа на подсчёт ссылок, но подсчитывает только локальные ссылки из функций доступа — а не глобальные ссылки между объектами. Это позволяет циклические ссылки без слежения, чей «ранг» выше (от «контейнеров» к «содержимому» — shared_ptr, в прочие стороны — weak_ptr), а также без присущего shared/weak_ptr управляющего объекта, исчезающего, когда исчезнет последний слабый указатель.

Система сделана беспрепятственной по записи ценой повышенного расхода памяти: read-copy-update хранит одно поколение старых данных, а hazard pointer — сколько угодно.

Поскольку G++ всё ещё держит совместимость двоичных интерфейсов, на будущие дополнения оставили 4/8 байтов на объект.

(Старая блокирующая версия — та же)

// Стало — не блокируется и писатель
struct Data : std::hazard_pointer_obj_base<Data> {}
std::atomic<Data*> pdata_;

template <typename Func>
auto reader_op(Func userFn) {
  std::hazard_pointer h = std::make_hazard_pointer();
  Data* p = h.protect(pdata_);
  return userFn(p);
}

void writer(Data* newdata) {
  Data* old = pdata_.exchange(newdata);
  old->retire();
}

Математика

• В библиотеку рациональных чисел (Си++11) добавлены новые приставки СИ ронна-, ронто-, кветта-, квекто-.

Арифметика с насыщением (упором в край)

Стандартная работа беззнаковых типов — арифметика остатков: при переходе через $2^{n}$ значение превращается в 0. Знаковые — зависят от реализации. Но это не всегда нужно: например, $2^{n}-1$ может означать «сколько угодно» и прибавление к нему единицы должно оставлять $2^{n}-1$. Никакой защиты от дурака нет. Поддерживаются четыре арифметических действия и преобразование типов. Деление с упором div_sat при делении на ноль перестаёт быть константным.

#include <numeric>

// Считаем, что у нас 8-битный char и отрицательные в дополнительном коде
int x1 = add_sat(3, 4);               // 7
int x2 = sub_sat(INT_MIN, 1);         // INT_MIN
unsigned char x3 = add_sat(255, 4);   // 3!! — работа в int и преобразование 259 → 3
unsigned char x4 = add_sat<unsigned char>(255, 4);   // 255
unsigned char x5 = add_sat(252, x3);  // Ошибка, нет нужной перегрузки
unsigned char x6 = add_sat<unsigned char>(251, x2);  // 251!! — преобразование INT_MIN → 0
unsigned char x7 = saturate_cast<unsigned char>(-5);  // 0

Заполненная линейная алгебра

Добавились BLAS-подобные алгоритмы линейной алгебры для заполненных (большей частью ненулевых) векторов и матриц. Мотивация:

• Комитет Си++ сам поставил линейную алгебру приоритетом.
• Си++ — стандартная платформа для наукоёмкого ПО, которому линейная алгебра более чем нужна.
• Это как сортировка массива: примитивные алгоритмы медленные, а самые быстрые реализации можно получить аппаратно-специфичными улучшениями.
• В стандарте Си++ и так много разной математики — и умножение матриц не менее важно, чем функции Бесселя.
• BLAS — известный стандарт линейной алгебры, мало менявшийся с годами.
• Это такой же путь к интеграции в Си++ сторонних стандартов, как Юникод (идёт работа) и часовые пояса.

Конструкция полностью шаблонная и на mdspan. Преимущества перед стандартным BLAS:

• Работают любые типы, в том числе смешанные (данные в float, расчёт в double), а не только четыре стандартных BLAS’овских.
• Можно оптимизировать работу с матрицами небольших жёстко заданных габаритов — например, через SIMD.
• С небольшими изменениями возможно будет запустить целый пакет заданий (например, для машинного обучения).

Пока вне рассмотрения: расширенные функции BLAS/LAPACK, разреженная алгебра, расчёты повышенной точности, тензоры («матрицы» с тремя и более измерениями), параллельная работа, перегрузка операций ±. Последняя — из-за неоднозначности (есть несколько типов умножения векторов), данные могут быть в одном типе, а работа в другом, и из-за больших объёмов памяти и многоступенчатых расчётов промежуточные буфера часто используются повторно.

Нет даже решения заполненных СЛАУ. Вот одна из стандартных функций — решение треугольной СЛАУ на месте.

template<in-matrix InMat,
         class Triangle,
         class DiagonalStorage,
         inout-vector InOutVec>
void triangular_matrix_vector_solve(
  InMat A,
  Triangle t,
  DiagonalStorage d,
  InOutVec b);

Здесь пустой тип-тэг Triangle показывает, каким треугольником собрана матрица, верхним или нижним. Аналогичный тэг DiagonalStorage — что представляет собой диагональ матрицы A: явные значения или неявные единицы. В векторе b изначально правая часть системы, в результате расчёта будет решение.

Ожидаются, но не одобрены

• Гармонизация с Си:
  • #embed — инициализация массива данных двоичным файлом, прошла в Си23.
• Примитивы хранения данных:
  • inplace_vector — массив изменяемой ограниченной длины на основе обычного массива.
  • Улей — специализированный менеджер памяти для однотипных данных, используемый в играх и скоростной торговле. Никогда не перемещает, объект вставляется в случайное место, относительно быстры операции «проход», «добавление» и «удаление».
  • path_view, аналог string_view для путей. По факту variant, способный ссылаться без хранения на пути разных форматов и оперативно перекодировать в системный вид — rendered_path, буфер достаточно больших размеров с возможностью запросить ещё больше, выделив память.
• Многозадачность:
  • Параллельные очереди.
  • «Волокна», элементы стековой кооперативной многозадачности.
• Прочее:
  • Улучшения в библиотеке диапазонов.
  • Замена integral_constant на более простой в использовании constexpr_v.
  • Улучшение рефлексии при компиляции.

Будут неизвестно когда

Крупные важные функции. Их давно просят, но нет гарантии, что будут готовы к сроку Си++26.

• Библиотечная поддержка сопрограмм (языковая есть в Си++20)
• Сеть — не удалось сделать модульный подход
• Контрактное программирование — уточнение условий на параметры функций
• Некое pattern matching — возможно, описываемое в некоторых статьях гипотетическое ключевое слово inspect, аналог switch, действующий даже на разные объектные подтипы и разные шаблоны строк