25 февраля автор курса «Разработчик C++» в Яндекс.Практикуме Георгий Осипов рассказал о новом этапе языка C++ — Стандарте C++20. В лекции сделан обзор всех основных нововведений Стандарта, рассказывается, как их применять уже сейчас и чем они могут быть полезны.

При подготовке вебинара стояла цель сделать обзор всех ключевых возможностей C++20. Поэтому вебинар получился насыщенным. Он растянулся на почти 2,5 часа. Для вашего удобства текст мы разбили на шесть частей:

  1. Модули и краткая история C++.
  2. Операция «космический корабль».
  3. Концепты.
  4. Ranges.
  5. Корутины.
  6. Другие фичи ядра и стандартной библиотеки. Заключение.


Это первая часть, рассказывающая о модулях в современном C++. Если вы предпочитаете снайдеркатам краткие изложения, то добро пожаловать в статью.

Краткая история C++


В самом начале я задал слушателям вебинара вопрос: сколько всего существует стандартов C++?

Результаты голосования:
  • правильных ответов — 58 (96.67%)
  • неправильных ответов — 2 (3.33%)




Давайте посчитаем. Бьёрн Страуструп занялся разработкой C++ в восьмидесятых годах. К нему пришли люди из ISO [международная комиссия по стандартизации] и предложили стандартизировать язык. Так и появился C++98 — первый Стандарт.

Прошло пять лет, и Стандарт исправили. Получился C++03. Это было не что-то революционное, а просто исправление ошибок. Кстати, иногда C++03 не считают отдельным Стандартом. Возможно, C++03 — самый популярный Стандарт с точки зрения примеров в интернете и ответов на Stack Overflow, но назвать его современным C++ сейчас невозможно.

Всё изменил следующий Стандарт, который планировалось выпустить до 2010 года. Он носил кодовое название C++0x, которое потом сменилось на C++1x. Решить все проблемы и издать Стандарт смогли только в 2011 году, он получил название C++11. Заметно расширились возможности языка: там появились auto, move-семантика, variadic templates. Когда я учил этот Стандарт, у меня возникло ощущение, что освоить C++11 равносильно изучению нового C++.

Прошло три года. Вышел C++14. Он не стал таким революционным и в основном содержал фиксы ошибок, неизбежных при принятии такого огромного набора документов, как C++11. Но и в 2014 году добавилось новое.

Ещё через три года C++17 добавил больше интересных вещей: дополнительные возможности стандартной библиотеки, распаковку при присваивании и прочее.

Логично ожидать, что за большим Стандартом последует Стандарт с исправлениями ошибок. Но что-то пошло не так. C++20 — это практически новый язык. По количеству нововведений он сравним с C++11, а может быть, обгоняет его.



Мы рассмотрим несколько ключевых возможностей C++20. Их список есть в анонсе: это модули, концепты, ranges, корутины. Также будет дан краткий обзор всего, что не вошло в этот список: другие фичи ядра и стандартной библиотеки. Пойдём по порядку.

Модули




Мотивация


Код на C++ хранится в .cpp, .cxx, .cc файлах. На самом деле этот код — программа не на C++, а на языке препроцессора C++. Это другой язык, который не понимает синтаксис C++. И наоборот, C++ не понимает синтаксис препроцессора. Формально он входит в Стандарт, поэтому препроцессор можно относить к C++. Но фактически это два разных языка.

Получается, что программу компилируют два разных компилятора. Из-за этого неизбежно возникают проблемы.

До C++20 вместо модулей использовали хедеры — отдельные текстовые файлы .h. При подключении хедера программой на C++ он просто копируется в место включения. В связи с этим возникает много проблем.

  • Дублирование. При добавлении определения функции в .cpp-файл, нужно добавить объявление в .h-файл. А дублирование порождает ошибки.
  • Неочевидный побочный эффект включения заголовочных файлов. В зависимости от порядка расположения два скопированных фрагмента могут влиять друг на друга.
  • Нарушение one definition rule
    Правило одного определения. В программе не должно быть конфликтующих определений одной и той же сущностей. Наличие нескольких определений может влечь неопределённое поведение
    Функция или класс могут включаться в разные файлы .cpp, разные единицы трансляции. Если вдруг они включились по-разному — например, в этих единицах трансляции определены разные макросы, — нарушится one definition rule. Это серьёзная ошибка.
  • Неконсистентность включений. То, что включится из хедера, зависит от макросов, которые определены в момент включения хедера.
  • Медленная компиляция. Когда один и тот же хедер целиком включается в разные единицы трансляции, компилятор вынужден его компилировать каждый раз. Кстати, это же касается стандартных библиотек. Например, iostream — это огромный файл, и компилятор вынужден компилировать его со всеми зависимыми единицами трансляции.
  • Мы не можем контролировать, что нужно экспортировать, а что — нет. При включении хедера единица трансляции получит всё, что в нём написано, даже если это не предназначено для включения.