C++ 20范围

引言

C++20带来了许多革命性的特性，其中范围库(Ranges library)是最重要的改进之一。在本文中，我们将探索C++20范围的基本概念、用法以及它如何改变我们处理集合数据的方式。

范围(Ranges)是对迭代器的一种高级抽象，它简化了集合数据的操作，使代码更加直观、安全且易于组合。如果你曾经被STL算法繁琐的语法所困扰，范围库将带给你全新的编程体验。

范围的基本概念

什么是范围？

在C++20中，一个范围(Range)是一个概念(Concept)，表示一段元素序列。具体来说，一个类型T是一个范围，如果以下表达式是有效的：

std::begin(t)：返回指向范围起始的迭代器
std::end(t)：返回指向范围结束的迭代器

这意味着许多已有的C++类型已经是范围，例如数组、std::vector、std::string等。

范围与迭代器的对比

传统上，我们使用迭代器对来表示一段元素序列：

cpp
std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
// 传统方式：使用迭代器
std::sort(v.begin(), v.end());

使用范围，同样的操作可以简化为：

cpp
std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
// 范围方式：直接传递容器
std::ranges::sort(v);

范围库的主要组件

范围算法

C++20在<algorithm>的基础上引入了<ranges>头文件，提供了与STL算法对应的范围版本。这些算法直接接受范围作为参数，而不是迭代器对：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> v = {5, 3, 1, 4, 2};
    
    // 使用范围版本的排序
    std::ranges::sort(v);
    
    for (int i : v) {
        std::cout << i << ' ';
    }
    // 输出: 1 2 3 4 5
}

视图(Views)

视图是范围库中最强大的概念之一。视图是一种特殊的范围，它不持有元素，而是提供对其他范围元素的"视图"。视图具有以下特点：

轻量级：通常只是包装原始范围的引用
惰性求值：许多操作推迟到需要元素时才执行
可组合：多个视图可以通过管道操作符(|)链接在一起

C++20提供了多种预定义的视图，如views::filter、views::transform、views::take等。

视图示例

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>
#include <string>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    
    // 创建一个视图：筛选出所有偶数，然后将它们乘以2
    auto result = numbers | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; })
                          | std::views::transform([](int n) { return n * 2; });
    
    // 遍历视图中的元素
    for (int n : result) {
        std::cout << n << ' ';
    }
    // 输出: 4 8 12 16 20
}

备注

视图不会修改原始容器，也不会创建新容器。它们只是提供了一种"查看"原始数据的方式。

常用视图

C++20提供了许多有用的视图，下面是一些常用的：

filter 视图

filter视图用于筛选满足特定条件的元素：

cpp
auto even_numbers = numbers | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; });

transform 视图

transform视图用于转换每个元素：

cpp
auto squared_numbers = numbers | std::views::transform([](int n) { return n * n; });

take 和 drop 视图

take视图从范围开始取前n个元素，而drop视图则跳过前n个元素：

cpp
auto first_five = numbers | std::views::take(5);  // 取前5个元素
auto after_five = numbers | std::views::drop(5);  // 跳过前5个元素

reverse 视图

reverse视图反转范围中元素的顺序：

cpp
auto reversed = numbers | std::views::reverse;

范围适配器(Range Adapters)

范围适配器是用于创建或修改范围的工具。它们通常通过管道操作符(|)与其他范围组合。视图是一种特殊的范围适配器。

管道语法

C++20引入了管道操作符(|)来组合范围操作：

cpp
auto result = range | adaptor1 | adaptor2 | ... | adaptorN;

这种语法使数据处理变得更加直观，类似于Unix shell中的管道或函数式编程中的链式调用。

实际应用案例

案例1：数据过滤与转换

假设我们有一个学生成绩列表，需要找出所有及格学生（分数>=60），并将他们的姓名转换为大写：

cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <ranges>
#include <algorithm>

struct Student {
    std::string name;
    int score;
};

std::string to_upper(std::string str) {
    std::transform(str.begin(), str.end(), str.begin(), 
                   [](char c) { return std::toupper(c); });
    return str;
}

int main() {
    std::vector<Student> students = {
        {"alice", 85},
        {"bob", 55},
        {"charlie", 90},
        {"david", 45},
        {"eva", 75}
    };
    
    auto passing_students_uppercase = students 
        | std::views::filter([](const Student& s) { return s.score >= 60; })
        | std::views::transform([](const Student& s) { return to_upper(s.name); });
    
    std::cout << "Passing students (uppercase): ";
    for (const auto& name : passing_students_uppercase) {
        std::cout << name << " ";
    }
    // 输出: Passing students (uppercase): ALICE CHARLIE EVA
}

案例2：惰性序列生成

范围可以用来创建无限序列，并通过视图进行操作：

cpp
#include <iostream>
#include <ranges>

int main() {
    // 创建一个无限整数序列，从1开始
    auto integers = std::views::iota(1);
    
    // 取前10个偶数，并输出
    auto first_ten_even = integers 
        | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; })
        | std::views::take(10);
    
    std::cout << "First 10 even integers: ";
    for (int n : first_ten_even) {
        std::cout << n << " ";
    }
    // 输出: First 10 even integers: 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
}

提示

由于std::views::iota可以创建无限序列，确保使用take或其他限制视图，以避免无限循环。

性能考虑

范围库的设计目标之一是提供零开销抽象。理想情况下，使用范围的代码应该与手写的等效迭代器代码具有相同的性能。

然而，在某些情况下，特别是涉及复杂的视图组合时，编译器可能无法执行所有可能的优化。如果性能至关重要，建议进行基准测试以确保范围操作符合您的性能要求。

与STL的兼容性

范围库设计为与现有STL组件无缝协作。大多数标准容器都符合范围的要求，可以直接用于范围算法和视图。

此外，C++20还提供了适配器，使得现有的迭代器对可以作为范围使用：

cpp
std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
// 使用迭代器对创建范围
auto range = std::ranges::subrange(v.begin() + 1, v.end() - 1);
// range包含 {2, 3, 4}

总结

C++20范围库带来了一种全新的数据处理方式，使代码更加简洁、安全和可组合。通过范围的概念、范围算法和强大的视图系统，我们可以以更高级别的抽象处理数据集合，同时保持C++的性能特性。

主要优点包括：

更简洁的语法
更安全的操作
更易读的数据处理流程
惰性求值提高效率
强大的组合能力

尽管范围库在C++20中才成为标准，但它为C++的数据处理开辟了一条新路径，值得每位C++开发者学习和掌握。

练习

创建一个范围，筛选出字符串数组中长度大于5的字符串。
使用范围视图，找出向量中所有质数。
实现一个函数，使用范围视图从一个整数向量中找出连续3个数的和最大值。
使用范围适配器，将一个字符串列表按长度排序，然后只取前3个。

附加资源

通过学习C++20范围库，你将掌握一种现代化的数据处理方式，这将大大提高你的C++编程效率和代码质量。

引言​

范围的基本概念​

什么是范围？​

范围与迭代器的对比​

范围库的主要组件​

范围算法​

视图(Views)​

视图示例​

常用视图​

filter 视图​

transform 视图​

take 和 drop 视图​

reverse 视图​

范围适配器(Range Adapters)​

管道语法​

实际应用案例​

案例1：数据过滤与转换​

案例2：惰性序列生成​

性能考虑​

与STL的兼容性​

总结​

练习​

附加资源​

引言