📖 C++26前瞻与未来方向¶

学习时间：3-4小时 | 难度：⭐⭐⭐⭐⭐ | 前置：14-现代C++(17-23)新特性

💡 C++26将带来反射、契约、std::execution等革命性特性，深刻改变C++开发方式。模式匹配（Pattern Matching）有望在C++29中引入。

上图提炼了 C++26 的核心演进方向：契约、静态反射与执行模型升级。

📖 1. Contracts（契约编程）¶

1.1 概念与动机¶

契约编程在函数接口中显式声明前置条件、后置条件和断言，让编译器和运行时辅助检查。

C++

#include <vector>
#include <cmath>

// === C++26 Contracts语法 ===

// 前置条件: pre(条件)
// 后置条件: post(返回值名: 条件)
double sqrt_safe(double x)
    pre(x >= 0)                    // 调用者保证x非负
    post(r: r >= 0 && r * r - x < 1e-10)  // 返回值的约束
{
    return std::sqrt(x);
}

// 在容器操作中使用
template<typename T>
T& at(std::vector<T>& vec, size_t index)
    pre(index < vec.size())        // 防止越界
{
    return vec[index];
}

// 类不变量
class BankAccount {
    double balance_;

    // 类不变量（每个public方法调用前后都检查）
    // contract_assert(balance_ >= 0);

public:
    void withdraw(double amount)
        pre(amount > 0)
        pre(amount <= balance_)
        post(r: balance_ >= 0)
    {
        balance_ -= amount;
    }

    void deposit(double amount)
        pre(amount > 0)
    {
        balance_ += amount;
    }
};

// 契约与assert的优势对比:
// - assert在release编译时被移除
// - 契约可以选择性执行（开发/测试/发布不同策略）
// - 契约是接口的一部分，自文档化
// - 编译器可以利用契约信息进行优化

1.2 契约违反处理¶

C++

// 契约检查级别（编译选项）
// -fcontract-semantics=ignore    → 完全忽略（最快）
// -fcontract-semantics=observe   → 检查但继续执行（日志）
// -fcontract-semantics=enforce   → 检查且违反时终止（安全）
// -fcontract-semantics=quick_enforce → 检查且违反时立即终止

// 自定义违反处理程序
void handle_contract_violation(const std::contracts::contract_violation& v) {
    std::cerr << "Contract violation at "
              << v.file_name() << ":" << v.line_number()
              << " in " << v.function_name()
              << ": " << v.comment() << "\n";
    // 可以选择：日志记录 / 抛异常 / std::abort
}

📖 2. Static Reflection（静态反射）¶

2.1 反射是什么？¶

在编译时获取类型的元信息（成员名、类型、属性），自动生成代码。

C++

#include <meta>       // C++26反射头文件
#include <iostream>
#include <string>

struct Player {
    std::string name;
    int level;
    double hp;
    double mp;
};

// === 自动序列化（利用反射） ===
template<typename T>
std::string to_json(const T& obj) {
    std::string result = "{";
    bool first = true;

    // constexpr for遍历所有成员
    template for (constexpr auto member : std::meta::nonstatic_data_members_of(^^T)) {
        if (!first) result += ", ";
        first = false;

        // 获取成员名和值
        result += "\"" + std::string(std::meta::name_of(member)) + "\": ";

        const auto& value = obj.[:member:];  // 反射访问成员

        if constexpr (std::is_same_v<std::meta::type_of(member), std::string>) {
            result += "\"" + value + "\"";
        } else {
            result += std::to_string(value);
        }
    }

    return result + "}";
}

// 使用
// Player p{"Alice", 50, 1000.0, 500.0};
// std::cout << to_json(p) << "\n";
// 输出: {"name": "Alice", "level": 50, "hp": 1000.000000, "mp": 500.000000}

// 无需手写序列化代码！反射自动处理任何struct

// === 自动生成比较运算符 ===
template<typename T>
bool equal(const T& a, const T& b) {
    bool result = true;
    template for (constexpr auto member : std::meta::nonstatic_data_members_of(^^T)) {
        result = result && (a.[:member:] == b.[:member:]);
    }
    return result;
}

// === 自动生成打印函数 ===
template<typename T>
void print_struct(const T& obj) {
    std::cout << std::meta::name_of(^^T) << " {\n";
    template for (constexpr auto member : std::meta::nonstatic_data_members_of(^^T)) {
        std::cout << "  " << std::meta::name_of(member)
                  << " = " << obj.[:member:] << "\n";
    }
    std::cout << "}\n";
}

2.2 反射在框架开发中的作用¶

C++

// ORM自动映射
template<typename T>
std::string generate_create_table_sql() {
    std::string sql = "CREATE TABLE " + std::string(std::meta::name_of(^^T)) + " (\n";
    bool first = true;

    template for (constexpr auto member : std::meta::nonstatic_data_members_of(^^T)) {
        if (!first) sql += ",\n";
        first = false;

        sql += "  " + std::string(std::meta::name_of(member)) + " ";

        using MemberType = typename std::meta::type_of(member);
        if constexpr (std::is_same_v<MemberType, int>) {
            sql += "INTEGER";
        } else if constexpr (std::is_same_v<MemberType, double>) {
            sql += "REAL";
        } else if constexpr (std::is_same_v<MemberType, std::string>) {
            sql += "TEXT";
        }
    }

    return sql + "\n);";
}

// generate_create_table_sql<Player>() 自动生成:
// CREATE TABLE Player (
//   name TEXT,
//   level INTEGER,
//   hp REAL,
//   mp REAL
// );

📖 3. Pattern Matching（模式匹配，未C++29候选特性）¶

⚠️ 注意：Pattern Matching（P2688）未被纳入C++26标准，是C++29的候选特性。以下为预期语法展示。

3.1 inspect表达式（提案中）¶

C++

#include <variant>
#include <string>

// C++26 inspect表达式（类似Rust的match）
using Shape = std::variant<Circle, Rectangle, Triangle>;

// 当前C++: std::visit + overloaded lambda（冗长）
// C++26: inspect表达式

/*
std::string describe(const Shape& shape) {
    return inspect(shape) {
        // 类型匹配
        <Circle> [r] => std::format("Circle(r={})", r);

        // 结构化匹配 + guard
        <Rectangle> [w, h] if (w == h) => std::format("Square(side={})", w);
        <Rectangle> [w, h] => std::format("Rectangle({}x{})", w, h);

        // 通配符
        __ => "Unknown shape";
    };
}
*/

// 数值模式匹配
/*
std::string classify(int n) {
    return inspect(n) {
        0 => "zero";
        1 => "one";
        x if (x > 0 && x < 10) => "small positive";
        x if (x >= 10) => "large positive";
        __ => "negative";
    };
}
*/

// 嵌套模式匹配
/*
inspect(json_value) {
    <JsonObject> obj if obj.contains("type") => {
        inspect(obj["type"]) {
            <JsonString> "error" => handle_error(obj);
            <JsonString> "data" => process_data(obj);
            __ => handle_unknown(obj);
        }
    };
    <JsonArray> arr => process_array(arr);
    <JsonNull> => "null";
    __ => "other";
};
*/

📖 4. std::execution（发送者/接收者异步模型）¶

4.1 结构化异步¶

C++

// std::execution取代手动线程管理
// 核心概念: Sender（发送者）和 Receiver（接收者）

/*
#include <execution>
namespace ex = std::execution;

// 创建线程池调度器
ex::static_thread_pool pool(4);
auto scheduler = pool.get_scheduler();

// 构建异步管道
auto work = ex::schedule(scheduler)
    | ex::then([] { return fetch_data(); })      // 在线程池执行
    | ex::then([](auto data) { return parse(data); })  // 链式处理
    | ex::then([](auto parsed) { return transform(parsed); });

// 同步等待结果
auto result = ex::sync_wait(work);

// 并行组合
auto parallel = ex::when_all(
    ex::schedule(scheduler) | ex::then([] { return task_a(); }),
    ex::schedule(scheduler) | ex::then([] { return task_b(); }),
    ex::schedule(scheduler) | ex::then([] { return task_c(); })
);

// 错误处理
auto safe_work = work
    | ex::upon_error([](auto err) {
        std::cerr << "Error: " << err.what() << "\n";
        return default_value;
    });
*/

4.2 与协程配合¶

C++

// std::execution + coroutines = 强大的异步框架
/*
ex::task<std::string> async_request(std::string url) {
    // 在IO线程池调度
    co_await ex::schedule(io_scheduler);
    auto response = co_await http_get(url);

    // 切到CPU线程池处理
    co_await ex::schedule(cpu_scheduler);
    auto parsed = parse_json(response);

    co_return parsed;
}
*/

📖 5. 其他C++26重要特性¶

5.1 std::inplace_vector¶

C++

// 栈上分配的固定容量vector（无堆分配）
#include <inplace_vector>

// 最多存10个元素，全部在栈上
std::inplace_vector<int, 10> vec;
vec.push_back(1);
vec.push_back(2);
// vec.push_back(...) 如果超过10个会抛异常

// 适用场景:
// - 嵌入式系统（禁止堆分配）
// - 高性能路径（避免malloc开销）
// - 编译期容器

5.2 std::format改进¶

C++

#include <format>

// C++26: 更多format支持
// 格式化容器
// std::vector<int> v = {1, 2, 3};
// std::println("{}", v);  // [1, 2, 3]

// 格式化tuple
// auto t = std::make_tuple(1, "hello", 3.14);
// std::println("{}", t);  // (1, "hello", 3.14)

// 格式化map
// std::map<string, int> m = {{"a", 1}, {"b", 2}};
// std::println("{}", m);  // {"a": 1, "b": 2}

5.3 改进的constexpr¶

C++

// C++26: 更多标准库函数在constexpr中可用
// - constexpr std::string
// - constexpr std::vector (已在C++20)
// - constexpr异常处理
// - constexpr virtual函数

constexpr auto compute() {
    std::vector<int> v = {3, 1, 4, 1, 5};
    std::sort(v.begin(), v.end());
    return v[0];  // 编译期计算
}

static_assert(compute() == 1);  // 编译期验证

5.4 Hazard Pointer和RCU¶

C++

// 无锁并发数据结构的安全内存回收

/*
#include <hazard_pointer>
#include <rcu>

// Hazard Pointer: 保护被读取的对象不被回收
std::atomic<Node*> head;

void reader() {
    auto hp = std::make_hazard_pointer();
    Node* node = hp.protect(head);  // 保护head指向的节点
    // 安全读取node，即使其他线程删除了它
    process(node->data);
    // hp析构时自动取消保护
}

// RCU (Read-Copy-Update): 读多写少的终极方案
std::atomic<Config*> global_config;

void update_config(Config* new_config) {
    auto* old = global_config.exchange(new_config);
    std::rcu_synchronize();  // 等待所有读者完成
    delete old;              // 安全回收
}
*/

📖 6. C++发展路线图¶

Markdown

## 从C++11到C++26的核心演进

C++11: 现代C++起点（auto/lambda/move/智能指针）
C++14: 小幅完善（泛型lambda/变量模板）
C++17: 实用改进（结构化绑定/if constexpr/optional/variant/filesystem）
C++20: 重大飞跃（Concepts/Ranges/Coroutines/Modules/三路比较）
C++23: 补充完善（std::expected/std::print/更多ranges/import std）
C++26: 革命性特性（Reflection/Contracts/std::execution）

## 核心趋势
1. 安全性: Contracts + 借用检查(proposal) → 对标Rust
2. 元编程: Reflection取代宏和模板元编程黑魔法
3. 并发: std::execution统一异步模型
4. 简洁性: Type Deduction改进（模式匹配将在未来C++29中引入）

🎯 面试高频题¶

Q1: C++26最值得期待的特性是什么？¶

A: 静态反射(Static Reflection)。它能在编译时获取类型的成员信息，自动生成序列化/反序列化、ORM映射、RPC存根等样板代码。这是C++元编程几十年来最大的进步，将大幅减少模板元编程的复杂度。

Q2: Contracts和assert有什么区别？¶

A: Contracts是语言层面的特性，可以设置不同的检查策略(release可保留)，是接口文档的一部分，编译器可以利用做优化。assert是预处理器宏，release模式下完全移除，不携带语义信息。Contracts更接近Design by Contract(DbC)理念。

Q3: std::execution解决了什么问题？¶

A: 统一了C++的异步编程模型。之前std::async/std::thread/协程各自为政，无法组合。std::execution通过Sender/Receiver抽象，提供了可组合的异步原语（schedule/then/when_all），支持结构化并发、错误传播、取消。类似于"C++版的async/await生态"。

Q4: 为什么C++需要模式匹配？¶

A: 当前用std::visit+overloaded lambda处理variant非常冗长。模式匹配提供了简洁的类型分派和解构语法，类似Rust的match。对于编译器/解释器/协议处理等需要大量type switching的场景，代码简洁度提升数倍。注意：Pattern Matching未纳入C++26，预计在C++29中引入。

Q5: C++26的反射会取代模板元编程吗？¶

A: 很大程度上会。传统模板元编程(SFINAE/递归模板)用编译器错误信息调试极其痛苦。反射提供了直接、可读的编译期代码生成方式。但一些底层的类型计算仍需concepts+templates。反射+模板将成为新的元编程组合拳。

Q6: Hazard Pointer和RCU各自的使用场景？¶

A: Hazard Pointer适用于读写频率接近的场景，每个读者声明自己在使用哪个指针，写者据此判断何时安全回收。RCU适用于读远多于写(99:1)的场景，读者几乎零开销，写者负责等待所有读者完成后回收旧数据。内核/数据库/路由表常用RCU。

✅ 学习检查清单¶

理解Contracts的三种检查级别和适用场景
能解释静态反射如何自动生成序列化代码
了解std::execution的Sender/Receiver模型
知道模式匹配(inspect)的基本语法（未来C++29候选特性）
了解C++11到C++26的核心演进脉络
能对比hazard pointer和RCU的适用场景

📌 下一步：对照 14-现代C++(17-23)新特性巩固基础，确保C++20特性(Concepts/Ranges/Coroutines)已熟练掌握后再学C++26。