Що нового у С++20: можливості та перспективи
Стаття написана у співавторстві з Андрієм Приступою та Віктором Дикуном — GlobalLogic Technology Management.
Мене звати Олександр Гайсін, я Senior Manager, Engineering GlobalLogic Lviv та працюю над проєктами, що пов’язані з мовою програмування С++. Разом з Андрієм та Віктором, які очолюють напрямок розвитку С++ у львівській локації компанії GlobalLogic, вирішили розповісти про переваги цієї мови та можливості, які відкриває перед розробниками її новий стандарт С++ 20.
Трохи історії, або як з’явилася С++
Мову програмування С++ ще на початку
Механізм класів дав можливість визначати і використовувати нові типи даних. А головною метою створення C++ було прагнення збільшити відсоток повторного використання вже написаного коду. Пізніше до С++ додали нові можливості, такі як віртуальні функції, перевантаження функцій і операторів, повноцінний механізм структурної обробки винятків і багато іншого.
Перший комерційний випуск С++ відбувся в жовтні 1985 року. Цікаво, що вона є вільною мовою, тобто ніхто не володіє правами на неї, навіть Б’ярн. З того часу мова зазнала багатьох удосконалень та продовжує розвиватись досі, адже цього року прийняли новий стандарт С++20. Проте про це трохи згодом.
Еволюція С++ та чому вона потрібна новачкам, і не тільки
З кожним новим стандартом ми отримуємо додаткові функціональні можливості. Згадуємо давні проєкти компанії, коли використовувались самописні структури даних та власноруч створені обгортки, які давали змогу спростити роботу з Operating System dependent API. Їх було складно підтримувати, а спеціалісти, які працювали на них, були практично незамінними.
С++ значно розвинулась за останні 10 років. Ми отримали покращені стандарти С++11, С++14, С++17, а цього року — С++20. Головні переваги, що стали доступні в кожній редакції, можна подивитись на малюнку вище. Такий розвиток мови дозволяє нам уніфікувати код і зробити його більш зрозумілим і доступним для широкого кола розробників.
Якщо раніше для визначення рівня С++ розробника бралось до уваги знання синтаксису і конструкцій мови, то зараз очікування дещо виросли і передбачають знання С++11, С++14, С++17 можливостей, таких як move-семантика, лямбда-функції, об’єкти синхронізації, у тому числі std::future, std::promise, std::condition_variable та інші.
Те саме відбувається зі знанням алгоритмів на базі С++. Якщо раніше інтерв’юери концентрувалися на базових структурах даних, як list чи vector, то з появою нових стандартів очікується, що інженер буде знайомим з unordered_map чи unordered_set і зможе пояснити, яка роль hash-функцій у цих контейнерах.
З одного боку, з новим стандартом ми отримуємо можливість писати більш високорівневий код, який компілюється без змін під різні операційні системи. З іншого — нові компоненти С++ відтестовані і стабільніші за власноруч написані.
Тому, якщо є можливість використання нового стандарту, команда його використовуватиме.
Таким чином, С++ є досить актуальною мовою вже 35 років та входить до топ-5 мов програмування, оскільки знання С++ дає розуміння, як працює система на низькому рівні. Водночас, мова досить складна і не дарма використовується для системного програмування. Більшість веббраузерів, операційних систем, середовищ розробки чи графічних редакторів створено з використанням С/С++.
При цьому С++ актуальна й для новачків. Наприклад, в основі популярних Java та JavaScript закладені принципи C++. Тому принципи роботи тієї ж Java достатньо непросто опанувати, якщо не знайомий з плюсами. Саме через це С++ вже довгий час залишається однією з основних мов навчання. Так, за даними дослідження GlobalLogic у Львові, 30% студентів визначили основним напрямком саме С++.
Тим часом С++ продовжує розвиватися, щоб відповідати сучасним вимогам. Одна з груп, що займаються мовою С++ в її сучасному вигляді і направляють комітету зі стандартизації С++ поради з її покращення, — це Boost. Наприклад, один з напрямів діяльності цієї групи — вдосконалення можливостей мови шляхом додавання до неї особливостей метапрограмування.
Стандарт С++ не описує способи іменування об’єктів, деякі деталі обробки винятків та інші можливості, пов’язані з деталями реалізації, що робить несумісним об’єктний код, створений різними компіляторами. Проте (за станом на час написання цієї статті) серед компіляторів С++ все ще продовжується битва за повну реалізацію стандарту С++, особливо в області шаблонів — частини мови, зовсім нещодавно повністю розробленої комітетом стандартизації.
Однією з перешкод у цьому питанні є ключове слово export, що використовується також і для розділення оголошення і визначення шаблонів.
Першим компілятором, що підтримав export у шаблонах, став Comeau C++ на початку 2003 року (за п’ять років після виходу стандарту). 2004 року бета-версія компілятора Borland C++ Builder X також почала його підтримку.
Ці обидва компілятори ґрунтуються на зовнішньому інтерфейсі EDG. Інші компілятори, такі як Microsoft Visual C++ або GCC, взагалі цього не підтримують. Герб Саттер, секретар комітету зі стандартизації С++, рекомендував прибрати export з майбутніх версій стандарту через серйозні труднощі з повноцінною реалізацією, проте згодом остаточним рішенням стало його залишити.
С++ як можливість створювати дійсно круті проєкти
Попри те що у мови С++ багато скептиків, вона буде актуальною ще багато років. С++ використовують у різних технологічних рішеннях, які відомі на весь світ. Наприклад, операційні системи Windows та macOS мають елементи, написані на С++. А YouTube використовує С++ для обробки відео. Крім цього, С++ потрібна для розробок вбудованих систем (embedded). Це різноманітні пристрої, від смартфонів до інсулінової помпи і бортового комп’ютера автомобіля.
Крім того, цю мову використовує й компанія SpaceX для створення своїх програмних рішень.
Згідно з результатами внутрішнього дослідження у межах львівської локації GlobaLlogic, мова С++ є основною для таких проєктів:
- Розробка сервера для аудіо/відеоконференцій.
- Автомобільна промисловість — С++ потрібна, щоб пов’язати залізо з програмним забезпеченням. Наприклад, бортовий комп’ютер.
- Розумні будинки.
- Медіаплеєри.
- Системи моніторингу (від відеонянь до операційних).
Тому спеціалісти з С++ створюють справді круті проєкти, які змінюють світ на краще та якісно покращують життя людей.
Варто підкреслити, що C++20 змінить спосіб програмування C++ так само принципово, як і C++11. Це справедливо, зокрема, для великої четвірки: «Ranges, Coroutines, Concepts, and Modules». Півроку тому можна було казати навіть про велику п’ятірку, але Contracts були скасовані на засіданні зі стандартизації цього року в Кельні. Для довідки, Contracts точно і чітко визначають інтерфейси програмних компонентів. Але це в минулому, адже краще дивитись у світле блискуче майбутнє, яке настає вже зараз.
Можливості нової С++20
4 вересня 2020 року комітет ISO зі стандартизації С++ затвердив новий стандарт мови — С++20. Затверджені зміни найбільш вплинуть на загальну екосистему мови із часів С++11, а можливо, і за всю історію С++. Тобто новий стандарт не лише додає нові можливості, а й фундаментально змінює підходи до написання коду, розуміння функцій, створення шаблонів, проєктування бібліотек, організацію пакетів та компіляцію С++ програм.
Так, нова бібліотека діапазонів дозволяє їй виражати алгоритми безпосередньо на контейнері, складати алгоритм із «pipe symbol» та застосовувати їх до нелімітовано довгих потоків даних.
Завдяки Coroutines асинхронне програмування на C++ може стати основним. Coroutines — це основа для спільних завдань, циклів подій, нескінченних потоків даних або конвеєрів.
Нова концепція змінить спосіб мислення та шаблони програмування. Вони є семантичними категоріями для вірних аргументів шаблону. Вони дозволяють вам висловити свій намір безпосередньо в системі типів. Якщо щось піде не так, ви отримаєте коротке повідомлення про помилку.
Модулі подолають обмеження файлів заголовків, що є дуже перспективним. Наприклад, розділення файлів заголовків та вихідних файлів стає застарілим, так само, як і препроцесори. Зрештою, ми також матимемо значно покращений час компіляції та простіший спосіб створення пакетів.
Але це далеко не все. Ось кілька додаткових моментів:
- тристоронній оператор порівняння <=>
- рядкові літерали як параметри шаблону
- розширення календаря та часового поясу бібліотеки «chrono»
- std :: span як подання на суміжний масив
- віртуальна функція constexpr
- перевизначення volatile
- доповнення до: std :: atomic_ref та std :: atomic >; включено можливість очікування завершення операції
- нові механізми синхронізації, такі як semaphores, latch та barriers
- контейнери constexpr
- вдосконалений потік std :: jthread, який автоматично приєднується і може бути зупинений
Детальніше можна подивитись на малюнку нижче:
Втім, не варто хвилюватись, ті частини, які дійсно зазначені як volatile, не зміняться.
Щодо підтримки нових можливостей стандарту С++20 різноманітними компіляторами можна подивитись на таблицю нижче та дізнатися більше деталей.
Висновки
Загалом, до С++ додалось багато нових функцій, деякі з яких, безсумнівно, гідні того, аби радіти.
Звичайно, деякі з цих нових функцій та розширень вже давно або навіть від самого початку існували в інших мовах. Цікаво спостерігати, як деякі з цих мов, на які колись впливала С++, зараз впливають на майбутнє самої С++.
Хоча підтримка нетворкінгу не увійшла до С++20, можливості С++ розширюються, їхні реалізації та застосування також. Але фундаментально важливі ідеї, такі як продуктивність, надійність, оптимальне використання ресурсів, які лежать в основі С++, залишаються незмінними. На сьогодні С++20 є найкращою реалізацію цих ідей, а прототипи нетворкінгу, до речі, можна знайти в бібліотеці Boost, оскільки розуміння нетворкінгу в С++ є одним з базових понять, які має знати кожен початківець.
Мова С++ універсальна, швидка та затребувана. Плюси мають своїх фанатів, хоча дехто вважає її занадто складною та застарілою. Проте з впевненістю можна стверджувати, що вона залишатиметься актуальною ще довго.
Стежимо за тим, що відбувається в комітеті зі стандартизації С++.
Зокрема, комітет зі стандартизації С++ дозволяє надсилати свої пропозиції, які після розгляду можуть увійти до нового С++ стандарту.
