为什么我们不能专门化概念？

Question

适用于类的语法不适用于概念：

template <class Type>
concept C = requires(Type t) {
    // ...
};


template <class Type>
concept C<Type*> = requires(Type t) {
    // ...
};

MSVC 表示“专业化”行：error C7606: 'C': concept cannot be explicitly instantiated, explicitly specialized or partially specialized.

为什么概念不能专业化？有理论上的原因吗？

Answer 1

因为它会破坏约束规范化和包含规则。

就目前而言，每个 concept 都只有一个定义。因此，概念之间的关系是已知的并且固定。考虑以下因素：

template<typename T>
concept A = atomic_constraint_a<T>;

template<typename T>
concept B = atomic_constraint_a<T> && atomic_constraint_b<T>;

根据 C++20 的当前规则，B 包含 A。这是因为，在约束规范化之后，B 包含了 A.

的所有原子约束

如果我们允许概念专门化，那么 B 和 A 之间的关系现在取决于提供给这些概念的参数。 B<T> 可能包含 A<T> 一些 T 但不是其他 T。

但这不是我们使用概念的方式。如果我试图编写一个比另一个模板“更受限制”的模板，那么唯一的方法就是使用一组已知的 well-defined 概念。这些定义不能取决于这些概念的参数。

编译器应该能够计算出一个受约束的模板是否比另一个没有有任何模板参数更受约束。这很重要，因为让一个模板比另一个模板“更受约束”是使用概念和约束的一个关键特征。

具有讽刺意味的是，允许概念专门化会破坏（约束）其他模板 的专门化。或者至少，这会使实施变得非常困难。

Answer 2

除了 Nicol Bolas 的精彩回答：

概念有点特殊，因为它们的行为不像其他模板化的东西：

13.7.9 Concept definitions

⁽⁵⁾ A concept is not instantiated ([temp.spec]).
[Note 1: A concept-id ([temp.names]) is evaluated as an expression. A concept cannot be explicitly instantiated ([temp.explicit]), explicitly specialized ([temp.expl.spec]), or partially specialized ([temp.spec.partial]). — end note]

由于概念无法实例化，它们也无法专门化。

鉴于模拟专业化很容易，我不确定为什么标准决定不让它们专业化。

虽然您不能直接专门化概念，但有很多方法可以解决这个问题。

您可以在概念中使用任何类型的常量表达式 - 因此您可以使用模板化变量（可以专门化）并将其包装到一个概念中 - 标准本身的很多部分都是这样做的概念也是如此，例如std::is_intergral:

template<class T> struct is_integral;

// is_integral is specialized for integral types to have value == true
// and all others are value == false

template<class T>
inline constexpr bool is_integral_v = is_integral<T>::value;

template<class T>
concept integral = is_integral_v<T>;

所以你可以很容易地写出一个像这样的专业化的概念：godbolt example

struct Foo{};
struct Bar{};

template<class T>
constexpr inline bool is_addable_v = requires(T t) {
    { t + t } -> std::same_as<T>;
};

// Specializations (could also use other requires clauses here)
template<>
constexpr inline bool is_addable_v<Foo> = true;

template<class T>
constexpr inline bool is_addable_v<T&&> = true;

template<class T>
concept is_addable = is_addable_v<T>; 

int main() {
    static_assert(is_addable<int>);
    static_assert(is_addable<Foo>);
    static_assert(!is_addable<Bar>);
    static_assert(is_addable<Bar&&>);
}

或者使用 class:

template<class T>
struct is_addable_v : std::true_type {};

template<>
struct is_addable_v<struct FooBar> : std::false_type {};

template<class T>
concept is_addable = is_addable_v<T>::value;

甚至是一个 constexpr lambda：godbolt example

// pointers must add to int
// everything else must add to double
template<class T>
concept is_special_addable = ([](){
    if constexpr(std::is_pointer_v<T>)
        return requires(std::remove_pointer_t<T> t) {
            { t + t } -> std::same_as<int>;
        };
    else
        return requires(T t) {
            { t + t } -> std::same_as<double>;
        };
})(); 

int main() {
    static_assert(is_special_addable<double>);
    static_assert(is_special_addable<int*>);
    static_assert(!is_special_addable<double*>);
    static_assert(!is_special_addable<int>);
}

因此，虽然概念不能单独专门化，但很容易通过现有的语言功能实现相同的效果。

Answer 3

在这种情况下的专业化开辟了一大堆蠕虫。我们用模板专业化打开了这个包。模板专业化是使通用图灵完备的模板语言的主要部分。是的，您可以在模板中编程。你不应该，但你可以。 Boost 有一个名为 Boost.MPL 的库，它充满了聪明的东西，比如在编译时运行的“无序映射”，而不是运行时间。

所以我们必须小心地限制它。简单的案例可能有效，但复杂的案例将不得不被禁止。当然，任何能够远程创建递归约束的东西都必须仔细观察。确实，考虑一个概念：

template <typename T>
concept hailstone = false;

template <int i>
concept hailstone<std::integral_constant<int, i> =
    hailstone<2 * i> || (i % 2 == 1 && hailstone<3*i - 1>);

template <>
concept hailstone<std::integral_constant<int, 0> = true;

那么，std::integral_constant<int, 27>是冰雹吗？这可能需要一段时间。我选择的示例基于 Collatz Conjecture 中的冰雹数字。确定任何给定的数字是否是冰雹是非常困难的（尽管，据我们所知，每个数字都是冰雹数字）。

现在将 integral_constant 替换为可以实现任意精度的巧妙结构。现在我们有麻烦了！

现在我们可以仔细切分这个问题的元素并将它们标记为可行。规范社区不参与该业务。我们在 C++20 中知道的概念被昵称为 concepts-lite，因为它实际上是一个从未进入 C++11 的概念库的大幅简化版本。该库有效地实现了 Description Logic、class 已知可判定的逻辑。这很重要，因为计算机必须运行通过所有必要的计算，我们不希望他们花费无限多的时间。 Concepts 源自于此，因此遵循相同的规则。而且，如果您查看描述逻辑，您证明许多陈述的方式涉及首先枚举所有 named 概念的列表。一旦你列举了这一点，就很容易证明你可以在有限的时间内解决任何概念需求。

正如 Nicol Bolas 在他的回答中指出的那样，概念的目的并不是成为某种聪明的图灵完备系统。这是为了提供更好的错误信息。因此，虽然人们可能能够在精心选择的路径中巧妙地滑入一些专业化，但没有动力这样做。

为什么我们不能专门化概念？

Why can't we specialize concepts?

c++

template-specialization

c++-concepts

c++20