C++20 Ranges
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Ranges 是C++20 提供的一套对范围的统一抽象和操作库。ranges 指可迭代的序列，它可以包括任何能够提供迭代器的数据结构， 如 vector, list, etc. 引入 ranges 可以使迭代的处理更简洁直观灵活。
我们知道 STL algorithms 利用迭代器对数据进行操作。比如我们需要对一个 vector 进行排序, 需要将排序的范围的迭代器做为参数传递给 sort() 方法：
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std::vector v = {1,6,4,2,8}; std::sort(v.begin(), v.end()); std::sort(v.begin(), v.end(), std::greater()); |
这种写法很灵活。但更多的时候，我们是想对整个 vector 进行排序，传入迭代器反而是多余的操作了。引入 Ranges 即可简化这一操作。
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std::ranges::sort(v); std::ranges::sort(v,std::greater()); |
在 ranges 库中，默认是对整个范围进行操作。当然，也可以像原来一样，使用迭代器来指定范围：
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std::ranges::sort(v.begin(), v.end()); |
这是一种简化操作的方式。但 ranges 更重要的优势在于，它允许你以函数式编程的方式来操作 STL algorithm 。
例如：
在引入 ranges 之前，如果我们需要对一个数组进行多项操作，我们可能需要一些变量来存储中间值。
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std::vector<int> v = {1, 6, 4, 2, 8, 7, 9, 0}; std::vector<int> p1, result; std::copy_if(v.begin(), v.end(), std::back_inserter(p1), [](int e){ return e % 2 == 0;}); std::transform(p1.begin(), p1.end(),std::back_inserter(result), [](int e){ return e*10;}); |
而引入 ranges 后，可以不再需要中间变量：
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std::vector<int> v = {1, 6, 4, 2, 8, 7, 9, 0}; auto result = v | std::views::filter([](int e) { return e % 2 == 0; }) | std::views::transform([](int e) { return e * 10; }); |
ranges 将多个操作使用管道操作符 | 连接在一起，不仅省去了中间变量，还使得代码更简洁易读。
View
view 是一个轻量级的 range。view 的构建、复制与销毁都是在常量时间内完成的，与view 内的元素多寡无关。view 由 range adaptor 创建。 view 中 “显示” 的元素由 range adaptor 决定。在上面的例子中，view 显示的是 从数据 v 中过滤偶数元素，并将这些元素乘以 10 。
注意这里使用了 "显示" 而不是 "拥有" 。这是因为 view 是惰性求值(evaluated lazily)的 。即在上例中，filter 和 transform 并没有被调用，因为 result 没有被使用。
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#include <iostream> #include <ranges> #include <vector> int main() { std::vector<int> v = {1, 6, 4, 2, 8, 7, 9, 0}; auto fun_filter = [](int e) { std::cout << "f_" <<e<<" "; return e % 2 == 0; }; auto fun_transform = [](int e) { std::cout << "t_"<<e<<" "; return e * 10; }; auto result = v | std::views::filter(fun_filter) | std::views::transform(fun_transform); std::cout << " - "; std::vector s(result.begin(), result.end()); std::cout << std::endl; return 0; } |
这段代码中，在 ' - ' 被输出之前，没有任何其它输出，之后 'f_x' 't_x' 才开始被输出。当然，在这里也需要注意管道的运算，和不使用 ranges 不同，管道是按元素进行运算的， 即运算的顺序是：
filter($v_0$)->null, filter($v_1$)->transform($v_1$)->result, filter($v_2$)->transform($v_2$)->result ...
而非
(filter($v_0$), filter($v_1$), $...$) -> (transform($v_1$), ...) -> result.
上例的输出为：
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- f_1 f_6 t_6 f_4 t_4 f_2 t_2 f_8 t_8 f_7 f_9 f_0 t_0 |
Adaptor
adaptor 为 ranges 生成一个随性求值的 view, 如前面所讲，adaptor 生成 view 时, ranges 中的元素不参与运算，只有在访问 view 时，才会对 view 中的元素求值。adaptor 可以串联起来，这是 ranges 的核心之所在，它解决了之前 STL algorithms 不易组合的问题。
使用 adaptor 创建 view 比直接创建 view 更高效，创建 view 的时间复杂度为 $O(1)$ 。
Algorithm
前面用到的 std::rangs::sort(v) 是一个 range algorithm。range algorithm 与 std 命名空间中相应的迭代器的算法几乎完全相同。不同的是它们有 概念强制约束(concept-enforced constraints) , 可以同时接受 range 或 迭代器对来工作。
Function
//TODO
Concept
//TODO
参考
- [cppreference Range_Adaptors][https://en.cppreference.com/w/cpp/ranges#Range_adaptors]
- [cppreference Constrained algorithms][https://en.cppreference.com/w/cpp/algorithm/ranges]