C++ 語言規則與具名要求

C++ 語言規則決定程式是否為良構，以及其執行具有何種意義。函式庫的具名要求與概念則為泛型程式碼增添契約。相似術語可能掩蓋一項重要差異：編譯器可以檢查運算式與型別，卻無法證明型別承諾的所有語意、複雜度、有效性或相等性。

定義與單一定義規則 #

每個經 ODR 使用的非行內函式或變數，在程式中都需要一個定義。相容的宣告可以重複，因此能夠使用前向宣告。

cpp

class Node;

struct Node {
    Node* next = nullptr;
};

型別、範本、行內函式與行內變數只有在符合一致性要求時，才能於多個翻譯單元中具有定義。標頭防護可防止同一翻譯單元內的重複引入；它無法修復翻譯單元之間內容不同的定義。程式即使違反 ODR，仍可能通過編譯與連結，但其行為並不可靠。

具名要求與概念 #

在 C++20 以前，標準函式庫的泛型契約以 LegacyInputIterator 等具名要求表示。C++20 概念則將其中許多語法部分表示為條件約束。

cpp

#include <concepts>
#include <iterator>

template<std::input_iterator Iterator>
void consume(Iterator first, Iterator last);

受約束的宣告會拒絕不符合必要運算式及關聯型別關係的型別。符合約束並不代表語意行為成立。某個型別可以讓 ++i、*i 與 i == j 成為良構，卻仍違反多趟走訪、相等性保持或指定的複雜度界限。相同界線也適用於均勻隨機位元產生器：型別檢查無法證明其輸出呈均勻分布。

撰寫泛型契約 #

以分層方式規範泛型 API：

說明必要的運算式與關聯型別，並優先使用標準概念或專案概念。
說明語意不變量：操作的意義、哪些運算式會保持相等性，以及值在呼叫後是否仍然有效。
說明複雜度、迭代器失效、所有權與並行保證。
說明執行階段呼叫端必須遵守或觀察的前置條件與後置條件。

例如，用作鍵值述詞的相等關係，必須對演算法接受的值構成等價關係。與該述詞搭配的雜湊，必須對相等的鍵值產生相同結果。任何 requires 運算式都無法證明這兩項性質。

有效性也是執行階段性質。某個迭代器型別可在語法上符合 std::input_iterator，但該型別的特定迭代器可能已因容器操作而失效。除了型別要求，也要記載哪些操作會使現有迭代器、指標或參考失效。

編譯期指定詞具有不同契約 #

當呼叫與運算元符合適用規則時，constexpr 允許實體或函式參與常數求值。consteval 讓立即函式呼叫必須進行常數求值。constinit 適用於具有靜態或執行緒儲存期的變數，並要求常數初始化；它不會讓變數不可變，也不會讓變數可用作常數運算式。

cpp

constexpr int square(int value) { return value * value; }
consteval int checked_port(int value) { return value > 0 ? value : throw "port"; }
constinit int process_generation = 1;

應根據這些指定詞各自聲明的保證使用它們，而不要視為可互換的「編譯期」註記。const 物件可以在執行階段初始化；constinit 物件若未同時宣告為 const，之後仍可修改。

執行階段行為仍是契約的一部分 #

良構的範本實體化不代表程式正確。配置可能失敗、比較可能擲回例外、回呼可能違反可重新進入假設，而範圍也可能為空。應說明無法由型別系統表示的行為，並在無效輸入或外部狀態進入程式的邊界進行測試。

複雜度同樣屬於契約。以線性掃描取代常數時間查詢，可以保留所有必要運算式，卻破壞仰賴其複雜度界限的演算法。應將具名要求、概念與 API 文件視為互補：條件約束能產生實用的診斷，而語意文件則定義泛型程式碼可仰賴的行為。