面试题：C++函数模板类型参数兼容性之专家问题

Question

在C++ 20的概念（Concepts）引入后，如何利用概念来精确控制函数模板类型参数的兼容性？假设要设计一个函数模板，其类型参数T必须满足可比较（重载了比较运算符）且可相加（重载了加法运算符）的条件，用C++ 20的概念特性来实现该函数模板，并解释其中对类型参数兼容性控制的原理。

Answer 1

1. 实现代码：

#include <concepts>

// 定义一个概念，表示类型T可比较
template<typename T>
concept Comparable = requires(T a, T b) {
    { a < b } -> std::same_as<bool>;
    { a > b } -> std::same_as<bool>;
    { a <= b } -> std::same_as<bool>;
    { a >= b } -> std::same_as<bool>;
};

// 定义一个概念，表示类型T可相加
template<typename T>
concept Addable = requires(T a, T b) {
    { a + b } -> std::same_as<T>;
};

// 定义一个概念，表示类型T既满足可比较又满足可相加
template<typename T>
concept ComparableAndAddable = Comparable<T> && Addable<T>;

// 利用概念定义函数模板
template<ComparableAndAddable T>
T add_and_compare(T a, T b) {
    if (a < b) {
        return a + b;
    } else {
        return b + a;
    }
}

2. 原理解释：
   • 概念定义：通过concept关键字定义了Comparable、Addable和ComparableAndAddable三个概念。Comparable概念通过requires子句来检查类型T是否重载了比较运算符，并且返回类型是否为bool。Addable概念通过requires子句检查类型T是否重载了加法运算符，并且返回类型是否为T。ComparableAndAddable概念则是Comparable和Addable概念的组合，要求类型T同时满足这两个条件。
   • 函数模板参数约束：在函数模板add_and_compare的定义中，使用ComparableAndAddable概念来约束类型参数T。这样，只有满足ComparableAndAddable概念的类型才能作为函数模板的参数，从而精确控制了函数模板类型参数的兼容性。如果使用不满足该概念的类型调用函数模板，编译器会在编译期报错，指出类型不满足约束条件。