C++ `std::ranges`：C++20 声明式范围操作与算法组合

好的，各位观众老爷，今天咱们来聊聊C++20里新出的一个超级好玩的东西——std::ranges，中文可以叫它“范围”或者“区间”，但我觉得叫“ranges”更酷炫，更有逼格。想象一下，你之前写C++代码，处理数组、vector等等，是不是得用迭代器开始结束，循环遍历，写得眼花缭乱？现在有了std::ranges，你可以像写Python一样，用更简洁、更声明式的方式操作数据了！而且还能像搭乐高一样，把各种算法组合起来，简直爽翻天！

一、啥是std::ranges？为啥要用它？

简单来说，std::ranges就是C++20里对范围操作的一套新标准。它主要解决了以下几个问题：

简化代码：之前的C++算法需要传入迭代器开始和结束位置，代码冗长。std::ranges可以直接操作整个范围，代码简洁多了。
更安全：避免了迭代器失效的问题。因为你直接操作范围，而不是手动管理迭代器。
组合性：可以像搭积木一样，把多个算法组合起来，形成复杂的数据处理流程。这可比手写循环高效多了。
延迟计算：很多std::ranges的操作都是延迟计算的，只有在真正需要结果的时候才会执行，提高了效率。

二、核心概念：View、Action和Range

std::ranges的核心概念有三个：

Range（范围）：就是一个可以遍历的序列。比如std::vector、std::array、std::list，甚至你自己定义的类，只要满足一定的条件，都可以是Range。
View（视图）：视图是一个轻量级的Range，它不会拥有数据，而是对现有Range进行转换和过滤。你可以把View想象成一个眼镜，戴上不同的眼镜，看到的东西就不同了，但眼镜本身并不会改变原来的东西。View是延迟计算的，只有在真正需要结果的时候才会执行。
Action（动作）： Action是对Range进行操作的函数或函数对象。比如排序、查找、转换等等。

这三个概念的关系是：Range是数据源，View是对Range的转换和过滤，Action是对Range进行操作。通过组合View和Action，我们可以构建复杂的数据处理流程。

三、常用Range适配器（Views）

Range适配器是std::ranges里最常用的东西，它们可以对Range进行各种转换和过滤。下面是一些常用的Range适配器：

适配器	功能	示例
`views::filter`	过滤Range中的元素，只保留满足条件的元素。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}; auto even_numbers = numbers \| std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }); // even_numbers现在包含{2, 4, 6, 8, 10}`
`views::transform`	转换Range中的元素，将每个元素映射到另一个值。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; auto squared_numbers = numbers \| std::views::transform([](int n){ return n * n; }); // squared_numbers现在包含{1, 4, 9, 16, 25}`
`views::take`	从Range中取出前N个元素。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}; auto first_five = numbers \| std::views::take(5); // first_five现在包含{1, 2, 3, 4, 5}`
`views::drop`	从Range中丢弃前N个元素。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}; auto last_five = numbers \| std::views::drop(5); // last_five现在包含{6, 7, 8, 9, 10}`
`views::reverse`	反转Range中的元素。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; auto reversed_numbers = numbers \| std::views::reverse; // reversed_numbers现在包含{5, 4, 3, 2, 1}`
`views::common`	将Range转换为common range。Common range是指begin()和end()返回相同类型的迭代器的Range。有些算法只能处理common range。	“`c++ std::vector numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; auto common_numbers = numbers	std::views::common; // common_numbers现在是一个common range。
`views::iota`	生成一个递增的整数序列。	`c++ auto numbers = std::views::iota(1, 11); // numbers现在包含{1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10}`
`views::elements`	从包含tuple或pair的Range中提取指定索引的元素。	`c++ std::vector<std::pair<int, std::string>> data = {{1, "one"}, {2, "two"}, {3, "three"}}; auto names = data \| std::views::elements<1>; // names现在包含{"one", "two", "three"}`
`views::split`	将Range分割成多个子Range，根据指定的分隔符。	`c++ std::string text = "hello,world,this,is,a,test"; auto words = text \| std::views::split(','); // words现在包含{"hello", "world", "this", "is", "a", "test"}`
`views::join`	将一个包含Range的Range连接成一个Range。	`c++ std::vector<std::vector<int>> matrix = {{1, 2}, {3, 4}, {5, 6}}; auto numbers = matrix \| std::views::join; // numbers现在包含{1, 2, 3, 4, 5, 6}`

四、常用算法（Actions）

std::ranges也提供了一些常用的算法，可以直接操作Range。这些算法和std::algorithm里的算法类似，但是用法更简洁。

算法	功能	示例
`ranges::sort`	对Range进行排序。	`c++ std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 9, 4}; std::ranges::sort(numbers); // numbers现在包含{1, 2, 4, 5, 8, 9}`
`ranges::copy`	将一个Range复制到另一个Range。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; std::vector<int> copy(5); std::ranges::copy(numbers, copy.begin()); // copy现在包含{1, 2, 3, 4, 5}`
`ranges::find`	在Range中查找指定元素。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; auto it = std::ranges::find(numbers, 3); if (it != numbers.end()) { std::cout << "Found: " << *it << std::endl; }`
`ranges::count`	统计Range中满足条件的元素个数。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 2, 2}; auto count = std::ranges::count(numbers, 2); // count现在是3`
`ranges::for_each`	对Range中的每个元素执行指定操作。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; std::ranges::for_each(numbers, [](int n){ std::cout << n << " "; }); // 输出：1 2 3 4 5`
`ranges::transform`	将一个Range转换成另一个Range，并将结果写入到指定的输出Range。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; std::vector<int> squared_numbers(5); std::ranges::transform(numbers, squared_numbers.begin(), [](int n){ return n * n; }); // squared_numbers现在包含{1, 4, 9, 16, 25}`
`ranges::any_of`	判断Range中是否存在满足条件的元素。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; bool has_even = std::ranges::any_of(numbers, [](int n){ return n % 2 == 0; }); // has_even现在是true`
`ranges::all_of`	判断Range中是否所有元素都满足条件。	`c++ std::vector<int> numbers = {2, 4, 6, 8, 10}; bool all_even = std::ranges::all_of(numbers, [](int n){ return n % 2 == 0; }); // all_even现在是true`
`ranges::none_of`	判断Range中是否没有元素满足条件。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 3, 5, 7, 9}; bool none_even = std::ranges::none_of(numbers, [](int n){ return n % 2 == 0; }); // none_even现在是true`
`ranges::remove_if`	从Range中移除满足条件的元素。注意：这个算法会改变原Range，并将不满足条件的元素移动到Range的前面，返回指向被移除元素起始位置的迭代器。通常需要结合`erase`来真正删除元素。	`c++ std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6}; auto it = std::ranges::remove_if(numbers, [](int n){ return n % 2 == 0; }); numbers.erase(it, numbers.end()); // numbers现在包含{1, 3, 5}`

五、实战演练：组合View和Action

光说不练假把式，咱们来几个例子，看看怎么把View和Action组合起来，实现复杂的数据处理。

例子1：找到一个vector中所有偶数的平方，并排序。

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

int main() {
    std::vector<int> numbers = {5, 2, 8, 1, 9, 4, 6, 3, 7, 10};

    // 1. 过滤出偶数
    // 2. 计算平方
    // 3. 排序
    auto result = numbers | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; })
                          | std::views::transform([](int n){ return n * n; });

    std::vector<int> sorted_result(std::ranges::begin(result), std::ranges::end(result));
    std::ranges::sort(sorted_result);

    // 输出结果
    for (int n : sorted_result) {
        std::cout << n << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // 输出：4 16 36 64 100

    return 0;
}

这个例子里，我们用|操作符把views::filter和views::transform连接起来，形成一个View。然后，我们把这个View转换成一个std::vector，并用std::ranges::sort进行排序。

例子2：从一个字符串中提取所有的数字。

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

int main() {
    std::string text = "abc123def456ghi789";

    // 1. 过滤出数字字符
    // 2. 将字符转换为整数
    auto digits = text | std::views::filter([](char c){ return std::isdigit(c); })
                       | std::views::transform([](char c){ return c - '0'; });

    // 将结果保存到vector
    std::vector<int> result(std::ranges::begin(digits), std::ranges::end(digits));

    // 输出结果
    for (int n : result) {
        std::cout << n << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // 输出：1 2 3 4 5 6 7 8 9

    return 0;
}

这个例子里，我们用views::filter过滤出数字字符，然后用views::transform将字符转换为整数。

例子3：分割字符串，并统计每个单词的长度。

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

int main() {
    std::string text = "hello world this is a test";

    // 1. 分割字符串成单词
    // 2. 统计每个单词的长度
    auto word_lengths = text | std::views::split(' ')
                            | std::views::transform([](auto word){
                                  // word是一个std::ranges::subrange，需要转换成string
                                  std::string s(word.begin(), word.end());
                                  return s.length();
                              });

    // 将结果保存到vector
    std::vector<size_t> result(std::ranges::begin(word_lengths), std::ranges::end(word_lengths));

    // 输出结果
    for (size_t len : result) {
        std::cout << len << " ";
    }
    std::cout << std::endl; // 输出：5 5 4 2 1 4

    return 0;
}

这个例子里，我们用views::split将字符串分割成单词，然后用views::transform统计每个单词的长度。注意，views::split返回的是一个std::ranges::subrange，我们需要把它转换成std::string才能计算长度。

六、自定义Range

除了使用标准的Range，我们还可以自定义Range。要自定义Range，需要满足一定的条件，比如提供begin()和end()函数，以及定义迭代器类型。

下面是一个简单的自定义Range的例子：

#include <iostream>
#include <ranges>

// 自定义Range：生成一个从start到end的整数序列
class IntRange {
public:
    class iterator {
    public:
        using iterator_category = std::input_iterator_tag;
        using value_type = int;
        using difference_type = std::ptrdiff_t;
        using pointer = int*;
        using reference = int&;

        iterator(int value) : value_(value) {}

        int operator*() const { return value_; }

        iterator& operator++() {
            ++value_;
            return *this;
        }

        bool operator!=(const iterator& other) const {
            return value_ != other.value_;
        }

    private:
        int value_;
    };

    IntRange(int start, int end) : start_(start), end_(end) {}

    iterator begin() const { return iterator(start_); }

    iterator end() const { return iterator(end_); }

private:
    int start_;
    int end_;
};

int main() {
    IntRange numbers(1, 11); // 生成一个从1到10的整数序列

    // 使用std::ranges::for_each遍历Range
    std::ranges::for_each(numbers, [](int n){ std::cout << n << " "; });
    std::cout << std::endl; // 输出：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

    return 0;
}

这个例子里，我们定义了一个IntRange类，它可以生成一个从start到end的整数序列。我们还定义了一个iterator类，用于遍历这个序列。

七、注意事项

编译器支持： std::ranges是C++20的特性，需要使用支持C++20的编译器。
性能：虽然std::ranges通常比手写循环更高效，但也要注意避免过度使用View，导致性能下降。
调试：调试std::ranges的代码可能会比较困难，因为很多操作都是延迟计算的。

八、总结

std::ranges是C++20里一个非常强大的特性，它可以让你用更简洁、更声明式的方式操作数据。通过组合View和Action，你可以构建复杂的数据处理流程，提高代码的可读性和可维护性。虽然学习std::ranges需要一些时间，但绝对值得！

希望今天的讲解对你有所帮助。记住，编程的乐趣在于不断学习和尝试！下次再见！

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