C++20 Ranges? 优势、劣势与高效代码之道

作为一名老 C++ 选手，我最初听到 “Ranges” 这个概念时，内心是抗拒的。STL 已经用了这么多年，迭代器也算是老朋友了，突然冒出来个 Ranges，还要改变我的编码习惯？但深入了解后，我发现 Ranges 并非单纯的新概念，而是对 STL 的一次重大升级，它确实能让代码更简洁、更高效，甚至更安全。

Ranges 究竟是什么？

简单来说，Ranges 是对 STL 迭代器概念的泛化和增强。它将算法操作的关注点从迭代器对（begin 和 end）提升到了范围（range）本身。这个范围可以是 STL 容器的一部分，也可以是自定义的数据集合。

想象一下，你有一个 std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};，你想筛选出其中所有的偶数。使用传统的 STL 方式，你需要这样写：

std::vector<int> evens;
std::copy_if(numbers.begin(), numbers.end(), std::back_inserter(evens),
             [](int n){ return n % 2 == 0; });

而使用 Ranges，你可以这样写：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <range/v3/all.hpp> // 引入 Ranges 库，这里使用的是 range-v3
 
using namespace ranges;
 
int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
 
    auto evens = numbers | view::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }) | to<std::vector<int>>();
 
    for (int even : evens) {
        std::cout << even << " "; // 输出 2 4
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

可以看到，Ranges 使用了一种链式调用的方式，更加直观地表达了数据处理的流程：先从 numbers 中 filter （筛选）出偶数，然后将结果 to （转换）成 std::vector<int>。

核心概念：

• View： View 是 Ranges 的核心概念，它是一种轻量级的、可组合的范围适配器。View 不拥有数据，而是对现有范围进行转换或过滤，并且这些操作是延迟执行的（lazy evaluation）。上面例子中的 view::filter 就是一个 View。
• Action： Action 是执行实际操作的函数，例如 to<std::vector<int>>()，它会将 View 的结果物化（materialize）到一个容器中。

Ranges 的优势

1. 代码更简洁易读： Ranges 使用链式调用，将数据处理的流程以更自然的方式表达出来，避免了传统 STL 中大量的迭代器操作，代码可读性大大提高。
2. 更高的效率： Ranges 的 View 是延迟执行的，这意味着只有在真正需要结果时才会进行计算。这可以避免不必要的计算，提高程序效率。此外，Ranges 库通常会对算法进行优化，例如使用 SIMD 指令等。
3. 更强的组合性： Ranges 的 View 可以自由组合，构建复杂的数据处理流水线。例如，你可以先 filter，再 transform，再 sort，最后 take 前几个元素。这种组合性使得 Ranges 能够灵活应对各种数据处理需求。
4. 更安全的代码： Ranges 避免了手动管理迭代器，减少了迭代器失效的风险。此外，Ranges 库通常会对输入范围进行检查，防止越界访问等错误。
5. 编译期优化潜力： Ranges 的设计允许编译器进行更多的优化，例如函数内联、循环展开等。在某些情况下，Ranges 代码的性能甚至可以超过手写的 C++ 代码。

Ranges 的劣势

1. 学习曲线： Ranges 引入了一些新的概念，例如 View、Action 等，需要一定的学习成本。特别是对于已经习惯了传统 STL 的开发者来说，需要改变编码习惯。
2. 编译时间： Ranges 库通常使用大量的模板，这会导致编译时间变长。特别是对于大型项目来说，编译时间可能会成为一个问题。
3. 调试难度： Ranges 的链式调用虽然简洁，但也可能增加调试难度。当程序出现问题时，需要逐个检查 View 的执行结果，才能找到问题的根源。
4. 库的依赖： 虽然 Ranges 已经纳入 C++20 标准，但目前各个编译器的支持程度不一。在实际项目中，可能需要引入第三方 Ranges 库，例如 range-v3。这会增加项目的依赖。
5. 标准库支持的完善程度： C++20 标准库中的 Ranges 支持目前还不够完善，很多常用的算法和 View 还没有提供。这可能需要在第三方库中寻找解决方案。

如何使用 Ranges 编写更高效的代码？

1. 选择合适的 View： Ranges 提供了大量的 View，可以用于各种数据处理任务。选择合适的 View 可以简化代码，提高效率。例如，可以使用 view::filter 筛选数据，使用 view::transform 转换数据，使用 view::take 获取前几个元素，使用 view::drop 丢弃前几个元素等等。
2. 避免不必要的拷贝： Ranges 的 View 是轻量级的，不会拷贝数据。但是，如果将 View 的结果物化到一个容器中，就会发生拷贝。为了避免不必要的拷贝，可以使用 view::all 将容器转换为 View，然后直接在 View 上进行操作。
3. 利用延迟执行： Ranges 的 View 是延迟执行的，这意味着只有在真正需要结果时才会进行计算。可以利用这个特性，将多个 View 组合在一起，形成一个复杂的数据处理流水线。只有在流水线的末端需要结果时，才会触发整个流水线的执行。
4. 使用 Ranges 提供的算法： Ranges 提供了很多算法，可以用于各种数据处理任务。这些算法通常都经过优化，性能比手写的 C++ 代码更好。例如，可以使用 ranges::sort 排序数据，使用 ranges::copy 拷贝数据，使用 ranges::for_each 遍历数据等等。
5. 自定义 View： 如果 Ranges 提供的 View 不能满足需求，可以自定义 View。自定义 View 需要实现 range 和 view 两个概念，并提供相应的迭代器。自定义 View 可以将复杂的数据处理逻辑封装起来，提高代码的可重用性。
6. 充分利用编译期优化： Ranges 的设计允许编译器进行更多的优化。为了充分利用编译期优化，可以使用 constexpr 和 consteval 等关键字，将数据处理逻辑放到编译期执行。这可以提高程序的性能，减少运行时的开销。

Ranges 实战案例

案例 1：统计字符串中每个字符出现的次数

#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
#include <range/v3/all.hpp>
 
using namespace ranges;
 
int main() {
    std::string text = "hello world";
 
    auto char_counts = text
                       | view::group_by(std::equal_to<>{})
                       | view::transform([](auto group){ return std::make_pair(ranges::front(group), ranges::distance(group)); })
                       | to<std::map<char, int>>();
 
    for (auto const& [c, count] : char_counts) {
        std::cout << c << ": " << count << std::endl;
    }
 
    return 0;
}

代码解释：

1. text | view::group_by(std::equal_to<>{}): 将字符串按照字符进行分组，相同的字符会被分到同一组。
2. view::transform([](auto group){ return std::make_pair(ranges::front(group), ranges::distance(group)); }): 将每个分组转换为一个 std::pair，其中 first 是字符，second 是该字符出现的次数。
3. to<std::map<char, int>>: 将结果转换为 std::map<char, int>，方便后续的访问。

案例 2：从文件中读取数据，并计算平均值

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <numeric>
#include <range/v3/all.hpp>
 
using namespace ranges;
 
int main() {
    std::ifstream file("data.txt");
    if (!file.is_open()) {
        std::cerr << "Failed to open file" << std::endl;
        return 1;
    }
 
    auto numbers = istream<int>(file) | to<std::vector<int>>();
 
    if (numbers.empty()) {
        std::cerr << "No numbers found in file" << std::endl;
        return 1;
    }
 
    double average = std::accumulate(numbers.begin(), numbers.end(), 0.0) / numbers.size();
 
    std::cout << "Average: " << average << std::endl;
 
    return 0;
}

代码解释：

1. istream<int>(file): 创建一个 istream_range，用于从文件中读取整数。
2. to<std::vector<int>>: 将读取到的整数转换为 std::vector<int>。
3. std::accumulate(numbers.begin(), numbers.end(), 0.0) / numbers.size(): 计算平均值。

注意： 这个例子使用了传统的 std::accumulate 来计算平均值，因为 Ranges 并没有提供直接计算平均值的算法。但你可以自定义一个 View 来实现这个功能。

案例 3：过滤掉字符串向量中的空字符串并转换为大写

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <range/v3/all.hpp>
 
using namespace ranges;
 
int main() {
    std::vector<std::string> strings = {"hello", "", "world", "", "c++"};
 
    auto upper_case_strings = strings
                               | view::filter([](const std::string& s){ return !s.empty(); })
                               | view::transform([](std::string s) {
                                   std::transform(s.begin(), s.end(), s.begin(), ::toupper);
                                   return s;
                               })
                               | to<std::vector<std::string>>();
 
    for (const auto& str : upper_case_strings) {
        std::cout << str << " "; // 输出 HELLO WORLD C++
    }
    std::cout << std::endl;
 
    return 0;
}

代码解释：

1. view::filter([](const std::string& s){ return !s.empty(); }): 过滤掉空字符串。
2. view::transform([](std::string s) { ... }): 将剩余的字符串转换为大写。
3. to<std::vector<std::string>>: 将结果收集到新的字符串向量中。

总结

C++20 Ranges 是一项强大的新特性，它可以让代码更简洁、更高效、更安全。虽然学习 Ranges 需要一定的成本，但它带来的好处是显而易见的。在实际项目中，可以根据具体情况选择是否使用 Ranges。对于一些复杂的数据处理任务，Ranges 可以大大提高开发效率。而对于一些性能要求极高的任务，可以考虑使用 Ranges 提供的算法和编译期优化技术。

作为一名 C++ 开发者，我强烈建议你学习和掌握 Ranges。相信在不久的将来，Ranges 将会成为 C++ 开发的标配。拥抱 Ranges，让你的 C++ 代码焕发新的活力！

最后的建议：

• 从简单的例子开始，逐步掌握 Ranges 的基本概念和用法。
• 多阅读 Ranges 相关的文档和代码，了解 Ranges 的设计思想和实现细节。
• 在实际项目中尝试使用 Ranges，积累经验，发现问题，解决问题。
• 关注 Ranges 的最新发展，及时了解新的特性和改进。

希望这篇文章能够帮助你更好地理解和使用 C++20 Ranges。Happy coding!