C++20 Ranges 库避坑指南:告别迭代器,让代码飞起来!
1. Ranges 库的核心概念:别再盯着迭代器了!
2. Ranges 库的优势:代码更短、效率更高!
3. Ranges 库的坑:一不小心,性能暴跌!
4. 自定义 Range:打造专属的数据处理管道!
5. Ranges 库的未来:拥抱更简洁、更高效的 C++!
各位卷王好!今天咱们聊聊 C++20 引入的 Ranges 库。这玩意儿一出来,号称要革迭代器的命,让代码更简洁、更高效。但实际用起来,坑也不少。今天我就结合实际项目经验,带你避开这些坑,真正让 Ranges 库为你的代码加速。
1. Ranges 库的核心概念:别再盯着迭代器了!
传统的 C++ 里,我们操作容器,离不开迭代器。但迭代器这玩意儿,用起来繁琐,还容易出错。Ranges 库的核心思想,就是把操作的数据范围(Range)和操作的算法(Algorithm)分离,让代码更关注于“做什么”,而不是“怎么做”。
1.1 Range 的定义:不只是容器!
Range 可以简单理解为一个可以迭代的东西。但它比传统的容器更宽泛。一个 Range 可以是:
- 一个完整的容器,比如
std::vector
、std::list
。 - 容器的一部分,比如从 vector 的第 3 个元素到第 8 个元素。
- 甚至是一个自定义的、动态生成的数据序列。
1.2 View 的妙用:数据变形的魔法!
View 是 Ranges 库的灵魂!它可以让你在不修改原始数据的前提下,对 Range 进行各种转换、过滤和组合。你可以把 View 想象成一个“懒加载”的管道,只有在真正需要数据的时候,才会进行计算。
常见的 View 包括:
transform
:对 Range 中的每个元素应用一个函数,生成一个新的 Range。std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; auto squared_numbers = numbers | std::views::transform([](int n){ return n * n; }); // squared_numbers 包含了 {1, 4, 9, 16, 25},但 numbers 并没有被修改 filter
:根据一个条件,过滤 Range 中的元素,生成一个新的 Range。std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; auto even_numbers = numbers | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }); // even_numbers 包含了 {2, 4} take
和drop
:分别取 Range 的前 N 个元素和丢弃前 N 个元素。std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; auto first_three = numbers | std::views::take(3); // first_three 包含了 {1, 2, 3} auto last_two = numbers | std::views::drop(3); // last_two 包含了 {4, 5} join
:将一个包含 Range 的 Range 展平为一个 Range。std::vector<std::vector<int>> matrix = {{1, 2}, {3, 4, 5}}; auto flattened = matrix | std::views::join; // flattened 包含了 {1, 2, 3, 4, 5} split
:将一个 Range 分割成多个 Range,分割点由一个分隔符决定。std::string text = "hello,world,how,are,you"; auto words = text | std::views::split(','); // words 是一个包含多个 Range 的 Range,每个 Range 对应一个单词
1.3 Action 的威力:直接修改,简单粗暴!
和 View 不同,Action 是直接修改 Range 的操作。比如 std::ranges::sort
可以直接对一个 Range 进行排序。
std::vector<int> numbers = {5, 2, 1, 4, 3}; std::ranges::sort(numbers); // numbers 现在包含了 {1, 2, 3, 4, 5}
1.4 Algorithm 的进化:更简洁的调用方式!
Ranges 库也对 C++ 的标准算法进行了升级,让它们可以更方便地操作 Range。比如,你可以直接用 std::ranges::for_each
遍历一个 Range,而不需要指定迭代器。
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
2. Ranges 库的优势:代码更短、效率更高!
2.1 代码简洁性:告别迭代器,拥抱链式调用!
Ranges 库最大的优势,就是可以告别繁琐的迭代器,用更简洁的链式调用来表达复杂的操作。
比如,我们要从一个 vector 中筛选出偶数,然后求平方,最后求和。用传统的迭代器,代码可能是这样的:
std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; std::vector<int> even_numbers; for (int n : numbers) { if (n % 2 == 0) { even_numbers.push_back(n * n); } } int sum = 0; for (int n : even_numbers) { sum += n; } std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;
而用 Ranges 库,代码可以简化成这样:
std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; int sum = std::ranges::fold_left(numbers | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }) | std::views::transform([](int n){ return n * n; }), 0, std::plus{}); std::cout << "Sum: " << sum << std::endl;
是不是简洁多了?
2.2 性能优化:延迟计算,避免不必要的拷贝!
Ranges 库的另一个优势,就是可以进行延迟计算。这意味着,只有在真正需要数据的时候,才会进行计算。这可以避免不必要的拷贝和中间变量,提高代码的效率。
比如,上面的例子中,filter
和 transform
都是 View,它们不会立即执行,而是等到 fold_left
需要数据的时候,才会按需计算。这样就避免了生成中间的 even_numbers
vector,节省了内存和时间。
3. Ranges 库的坑:一不小心,性能暴跌!
虽然 Ranges 库有很多优点,但用不好,也会掉坑里。下面我就结合实际项目经验,总结几个常见的坑:
3.1 避免过度使用 View:链式调用不是越多越好!
虽然链式调用很简洁,但过度使用 View 也会导致性能问题。因为每个 View 都会引入一定的开销,如果链式调用太长,这些开销就会累积起来,导致性能下降。
比如,下面的代码:
std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; auto result = numbers | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }) | std::views::transform([](int n){ return n * n; }) | std::views::take(2); for (int n : result) { std::cout << n << " "; }
这段代码看起来很简洁,但实际上效率并不高。因为 filter
、transform
和 take
都是 View,它们会生成中间的 Range,导致多次迭代和计算。特别是当 numbers 很大时,性能问题会更加明显。
优化建议:
尽量减少 View 的数量,避免不必要的链式调用。
如果需要多次迭代同一个 Range,可以考虑将 View 的结果缓存到一个容器中。
使用
std::ranges::to
将 View 转换为容器,避免重复计算。std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; auto result = numbers | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }) | std::views::transform([](int n){ return n * n; }) | std::views::take(2) | std::ranges::to<std::vector<int>>(); for (int n : result) { std::cout << n << " "; }
3.2 注意 dangling reference:View 的生命周期要小心!
View 只是一个数据的“引用”,它并不拥有数据的所有权。这意味着,如果原始数据被销毁,View 就会变成一个“悬空引用”(dangling reference),访问它会导致未定义行为。
比如,下面的代码:
auto create_numbers = []() { std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; return numbers | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }); }; auto even_numbers = create_numbers(); for (int n : even_numbers) { // 访问悬空引用,导致未定义行为 std::cout << n << " "; }
这段代码的问题在于,create_numbers
函数返回了一个 View,这个 View 引用了函数内部的 numbers
vector。当 create_numbers
函数执行完毕后,numbers
vector 被销毁,even_numbers
就变成了悬空引用。在后面的循环中访问 even_numbers
,就会导致未定义行为。
优化建议:
确保 View 的生命周期不长于原始数据的生命周期。
避免从函数中返回 View,除非你能保证原始数据在函数外部仍然有效。
使用
std::ranges::to
将 View 转换为容器,拥有数据的所有权。auto create_numbers = []() { std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5}; return numbers | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }) | std::ranges::to<std::vector<int>>(); }; auto even_numbers = create_numbers(); for (int n : even_numbers) { // 安全访问 std::cout << n << " "; }
3.3 小心 range-v3 库的“陷阱”:标准库才是王道!
在 C++20 之前,很多人使用 range-v3 库来体验 Ranges 的特性。但是,range-v3 库和 C++20 标准库的 Ranges 库并不完全兼容。如果你在项目中同时使用了这两个库,可能会遇到一些意想不到的问题。
比如,range-v3 库中的 View 和 C++20 标准库中的 View 的类型不同,不能直接混用。而且,range-v3 库中的一些 View 的行为也可能和 C++20 标准库中的 View 不同。
优化建议:
- 尽量使用 C++20 标准库的 Ranges 库,避免使用 range-v3 库。
- 如果必须同时使用这两个库,要注意它们之间的差异,避免混用。
- 仔细阅读文档,了解每个 View 的行为和限制。
4. 自定义 Range:打造专属的数据处理管道!
除了使用标准库提供的 Range 和 View,你还可以自定义 Range 和 View,来满足特定的需求。这可以让你更好地控制数据的处理流程,提高代码的灵活性和可复用性。
4.1 自定义 Range:封装复杂的数据结构!
你可以通过实现 begin
和 end
函数,来定义自己的 Range。比如,你可以把一个树形结构封装成一个 Range,然后用 Ranges 库的算法来遍历它。
#include <iostream> #include <ranges> struct TreeNode { int value; TreeNode* left; TreeNode* right; }; class TreeRange { public: TreeRange(TreeNode* root) : root_(root) {} TreeNode* begin() const { // 这里需要实现一个迭代器,用于遍历树 // 为了简化,这里直接返回根节点 return root_; } TreeNode* end() const { // 这里需要返回一个表示结束的迭代器 // 为了简化,这里返回 nullptr return nullptr; } private: TreeNode* root_; }; // 为了让 TreeRange 能够和 Ranges 库的算法一起使用,需要提供一个迭代器 class TreeIterator { public: using iterator_category = std::input_iterator_tag; using value_type = int; using difference_type = std::ptrdiff_t; using pointer = int*; using reference = int&; TreeIterator(TreeNode* node) : current_(node) {} reference operator*() const { return current_->value; } TreeIterator& operator++() { // 这里需要实现树的遍历逻辑 // 为了简化,这里直接返回 nullptr current_ = nullptr; return *this; } bool operator!=(const TreeIterator& other) const { return current_ != other.current_; } private: TreeNode* current_; }; namespace std { namespace ranges { template<> struct iterator_traits<TreeIterator> { using iterator_category = std::input_iterator_tag; using value_type = int; using difference_type = std::ptrdiff_t; using pointer = int*; using reference = int&; }; template<> concept range<TreeRange> = true; template<> concept input_range<TreeRange> = true; template<> concept forward_range<TreeRange> = true; template<> inline TreeIterator begin(const TreeRange& r) { return TreeIterator{r.begin()}; } template<> inline TreeIterator end(const TreeRange& r) { return TreeIterator{r.end()}; } } } int main() { TreeNode* root = new TreeNode{1, nullptr, nullptr}; TreeRange tree_range(root); // 使用 Ranges 库的算法来遍历树 std::ranges::for_each(tree_range, [](int value){ std::cout << value << " "; }); return 0; }
4.2 自定义 View:实现特定的数据转换!
你可以通过实现 view_interface
接口,来定义自己的 View。比如,你可以实现一个 View,用于将一个字符串中的每个字符转换成大写。
#include <iostream> #include <ranges> #include <string> #include <algorithm> // 自定义 View,将字符串中的每个字符转换成大写 class ToUpperView : public std::ranges::view_interface<ToUpperView> { private: std::string str_; public: ToUpperView(std::string str) : str_(std::move(str)) {} auto begin() const { return std::ranges::begin(str_); } auto end() const { return std::ranges::end(str_); } // 实现 element 的访问 char element(size_t n) const { return std::toupper(str_[n]); } // 实现 size 和 data size_t size() const { return str_.size(); } const char* data() const { return str_.data(); } }; // View 的适配器,方便链式调用 namespace std { namespace ranges { template (typename R) auto operator|(R&& r, ToUpperView to_upper) { return ToUpperView(std::forward(r)); } } } int main() { std::string text = "hello world"; ToUpperView upper_view(text); // 使用自定义的 View for (char c : upper_view) { std::cout << c << " "; } std::cout << std::endl; // 链式调用 for (char c : text | ToUpperView{}) { std::cout << c << " "; } std::cout << std::endl; return 0; }
5. Ranges 库的未来:拥抱更简洁、更高效的 C++!
Ranges 库是 C++20 中最重要的特性之一。它不仅可以简化代码,提高效率,还可以让代码更易于理解和维护。虽然 Ranges 库还有一些坑需要注意,但只要掌握了正确的使用方法,就能让你的 C++ 代码飞起来!
未来,Ranges 库还会继续发展, появятся 更多的 Range 和 View,更强大的算法,让 C++ 更加现代化、更加强大。让我们一起期待 Ranges 库的未来吧!
最后的建议:
- 多看文档,了解每个 Range 和 View 的行为和限制。
- 多写代码,实践 Ranges 库的各种用法。
- 多思考,探索 Ranges 库的更多可能性。
希望这篇文章能帮助你更好地理解和使用 Ranges 库。如果你有任何问题或建议,欢迎在评论区留言!我们一起学习,一起进步!