C++20 Ranges库实战?告别繁琐循环，代码优雅升级!

各位C++的同僚们，是否还在为处理各种集合操作时，写出一堆又臭又长的循环而烦恼？是否渴望代码更加简洁、易读、易维护？C++20引入的Ranges库，正是解决这些问题的利器。它不仅是对STL的现代升级，更是编程思维的一次革新。本文将带你深入Ranges的世界，从设计思想、使用方法到实战案例，助你掌握这一强大工具，让你的C++代码焕然一新。

1. Ranges库的设计哲学：告别迭代器，拥抱变换

在深入Ranges库的细节之前，我们先来理解其背后的设计哲学。传统STL基于迭代器进行操作，虽然功能强大，但使用起来略显繁琐，尤其是在进行链式操作时，代码可读性会大大降低。Ranges库则试图通过引入Range的概念，将数据集合和操作算法解耦，从而实现更简洁、更易于组合的代码。

简单来说，Range就是一个可以像容器一样被遍历的东西。但与容器不同的是，Range并不一定拥有实际存储数据的空间，它可以是对现有容器的一个视图（View），也可以是动态生成的序列。

Ranges库的核心思想可以概括为以下几点：

• 组合性（Composability）：Ranges库鼓励将小的、功能单一的操作组合成复杂的操作流水线。这类似于函数式编程中的函数组合，可以大大提高代码的表达能力。
• 延迟计算（Lazy Evaluation）：Ranges库中的很多操作都是延迟执行的，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。
• 视图（Views）：Ranges库提供了丰富的视图，可以对现有容器进行各种变换，而无需修改原始数据。这使得我们可以以不同的方式观察和操作同一个数据集合。

2. Ranges库的核心概念：Range、View、Action

要掌握Ranges库，首先需要理解几个核心概念：

• Range（范围）：表示一个可以被迭代的元素序列。任何支持begin()和end()函数的类型都可以被视为一个Range。例如，std::vector、std::list、std::array等都是Range。
• View（视图）：是一种轻量级的Range，它不拥有数据，而是对现有Range的一个变换。View可以进行过滤、转换、排序等操作，而不会修改原始数据。
• Action（动作）：是一种可以修改原始Range的操作。例如，排序、删除元素等。

可以将Range理解为数据的来源，View理解为数据的变形器，Action理解为数据的修改器。通过将这三个概念分离，Ranges库实现了更高的灵活性和可组合性。

3. Ranges库的使用方法：从入门到精通

3.1 基础：ranges::view_interface

所有自定义的View都应该继承自ranges::view_interface，它提供了一些默认实现，例如empty()、size()等，可以简化View的编写。

3.2 View的创建与组合

Ranges库提供了丰富的预定义View，可以满足各种常见的需求。例如：

• ranges::views::filter：过滤Range中的元素，只保留满足特定条件的元素。
• ranges::views::transform：将Range中的每个元素转换为另一个值。
• ranges::views::take：从Range中取出前N个元素。
• ranges::views::drop：从Range中丢弃前N个元素。
• ranges::views::reverse：反转Range中的元素顺序。

这些View可以通过管道操作符|进行组合，形成复杂的数据处理流水线。例如，以下代码将一个vector中的偶数平方后取出前5个：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <range/v3/all.hpp>
 
int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
 
    auto result = numbers | ranges::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; })
                        | ranges::views::transform([](int n){ return n * n; })
                        | ranges::views::take(5);
 
    for (int n : result) {
        std::cout << n << " "; // 输出：4 16 36 64 100
    }
    std::cout << std::endl;
 
    return 0;
}

这段代码的可读性非常高，即使不熟悉Ranges库，也能很容易理解其功能。

3.3 自定义View

除了使用预定义的View，我们还可以根据自己的需求创建自定义View。自定义View需要继承自ranges::view_interface，并实现begin()和end()函数，返回迭代器。

例如，以下代码定义了一个slice_view，可以从Range中截取一段子序列：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <range/v3/all.hpp>
 
namespace my_views {
    template <typename Range>
    class slice_view : public ranges::view_interface<slice_view<Range>> {
    private:
        Range base_;
        size_t start_;
        size_t count_;
 
    public:
        slice_view() = default;
 
        slice_view(Range base, size_t start, size_t count)
            : base_(std::move(base)), start_(start), count_(count) {}
 
        auto begin() const {
            return ranges::begin(base_) + start_;
        }
 
        auto end() const {
            auto end_pos = ranges::begin(base_) + start_ + count_;
            return end_pos > ranges::end(base_) ? ranges::end(base_) : end_pos;
        }
    };
 
    template <typename Range>
    slice_view(Range, size_t, size_t) -> slice_view<Range>;
 
    inline constexpr auto slice = ranges::make_view_adaptor([](auto&& range, size_t start, size_t count) {
        return slice_view((decltype(range))(range), start, count);
    });
}
 
int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
 
    auto result = numbers | my_views::slice(2, 5);
 
    for (int n : result) {
        std::cout << n << " "; // 输出：3 4 5 6 7
    }
    std::cout << std::endl;
 
    return 0;
}

这段代码首先定义了一个slice_view类，它接受一个Range、一个起始位置和一个计数作为参数。begin()函数返回指向起始位置的迭代器，end()函数返回指向结束位置的迭代器。然后，使用ranges::make_view_adaptor创建了一个名为slice的View适配器，方便使用管道操作符。

3.4 Action的使用

Action用于修改原始Range。Ranges库提供了一些预定义的Action，例如：

• ranges::actions::sort：对Range进行排序。
• ranges::actions::unique：移除Range中的重复元素。
• ranges::actions::remove_if：移除满足特定条件的元素。

Action可以直接作用于Range，例如：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <range/v3/all.hpp>
 
int main() {
    std::vector<int> numbers = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6, 5, 3, 5};
 
    ranges::actions::sort(numbers);
    ranges::actions::unique(numbers);
 
    for (int n : numbers) {
        std::cout << n << " "; // 输出：1 2 3 4 5 6 9
    }
    std::cout << std::endl;
 
    return 0;
}

这段代码首先对vector进行排序，然后移除重复元素。需要注意的是，Action会直接修改原始数据，因此在使用时需要谨慎。

4. Ranges库的实战案例：提升代码表达力

理论学习是基础，实战演练才能真正掌握Ranges库。下面我们通过几个实际案例，来展示Ranges库的强大之处。

4.1 案例一：查找字符串中最长的单词

传统方法：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <sstream>
#include <algorithm>
 
std::string longest_word(const std::string& text) {
    std::stringstream ss(text);
    std::string word;
    std::vector<std::string> words;
    while (ss >> word) {
        words.push_back(word);
    }
 
    if (words.empty()) {
        return "";
    }
 
    std::string longest = words[0];
    for (size_t i = 1; i < words.size(); ++i) {
        if (words[i].length() > longest.length()) {
            longest = words[i];
        }
    }
 
    return longest;
}
 
int main() {
    std::string text = "This is a string with some words";
    std::cout << "Longest word: " << longest_word(text) << std::endl; // 输出：Longest word: string
    return 0;
}

使用Ranges库：

#include <iostream>
#include <string>
#include <range/v3/all.hpp>
 
std::string longest_word_ranges(const std::string& text) {
    auto words = ranges::views::split(text, ' ') | ranges::to<std::vector<std::string>>();
 
    if (words.empty()) {
        return "";
    }
 
    auto longest = ranges::max(words, [](const std::string& a, const std::string& b) {
        return a.length() < b.length();
    });
 
    return longest;
}
 
int main() {
    std::string text = "This is a string with some words";
    std::cout << "Longest word: " << longest_word_ranges(text) << std::endl; // 输出：Longest word: string
    return 0;
}

使用Ranges库的代码更加简洁明了，ranges::views::split将字符串分割成单词，ranges::max找到最长的单词。整个过程一气呵成，可读性大大提高。

4.2 案例二：计算列表中所有正数的平方和

传统方法：

#include <iostream>
#include <vector>
 
int sum_of_squares_of_positives(const std::vector<int>& numbers) {
    int sum = 0;
    for (int n : numbers) {
        if (n > 0) {
            sum += n * n;
        }
    }
    return sum;
}
 
int main() {
    std::vector<int> numbers = {-2, -1, 0, 1, 2, 3};
    std::cout << "Sum of squares of positives: " << sum_of_squares_of_positives(numbers) << std::endl; // 输出：Sum of squares of positives: 14
    return 0;
}

使用Ranges库：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <range/v3/all.hpp>
 
int sum_of_squares_of_positives_ranges(const std::vector<int>& numbers) {
    return ranges::accumulate(numbers | ranges::views::filter([](int n){ return n > 0; })
                                     | ranges::views::transform([](int n){ return n * n; }), 0);
}
 
int main() {
    std::vector<int> numbers = {-2, -1, 0, 1, 2, 3};
    std::cout << "Sum of squares of positives: " << sum_of_squares_of_positives_ranges(numbers) << std::endl; // 输出：Sum of squares of positives: 14
    return 0;
}

使用Ranges库的代码更加简洁，ranges::views::filter过滤掉非正数，ranges::views::transform计算平方，ranges::accumulate计算总和。整个过程清晰流畅，易于理解。

4.3 案例三：从文件中读取所有邮箱地址

（假设邮箱地址满足xxx@xxx.xxx的简单格式）

传统方法：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <vector>
#include <regex>
 
std::vector<std::string> extract_emails(const std::string& filename) {
    std::vector<std::string> emails;
    std::ifstream file(filename);
    std::string line;
    std::regex email_regex("\\b[A-Za-z0-9._%+-]+@[A-Za-z0-9.-]+\\.[A-Z|a-z]{2,}\\b");
 
    if (file.is_open()) {
        while (std::getline(file, line)) {
            std::smatch match;
            std::string::const_iterator searchStart(line.cbegin());
            while (std::regex_search(searchStart, line.cend(), match, email_regex)) {
                emails.push_back(match[0]);
                searchStart = match.suffix().first;
            }
        }
        file.close();
    }
    return emails;
}
 
int main() {
    std::string filename = "emails.txt"; // 假设存在一个名为 emails.txt 的文件
    std::vector<std::string> emails = extract_emails(filename);
 
    for (const auto& email : emails) {
        std::cout << email << std::endl;
    }
 
    return 0;
}

(需要创建名为emails.txt的文件，内容包含若干email，用于测试)

使用Ranges库：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <string>
#include <vector>
#include <range/v3/all.hpp>
#include <regex>
 
std::vector<std::string> extract_emails_ranges(const std::string& filename) {
    std::regex email_regex("\\b[A-Za-z0-9._%+-]+@[A-Za-z0-9.-]+\\.[A-Z|a-z]{2,}\\b");
 
    std::ifstream file(filename);
    if (!file.is_open()) {
        return {}; // 或者抛出异常
    }
 
    auto lines = ranges::getlines(file) | ranges::to<std::vector<std::string>>();
 
    auto emails = lines | ranges::views::transform([&](const std::string& line) {
        return ranges::views::all(std::cregex_iterator(line.begin(), line.end(), email_regex),
                                     std::cregex_iterator());
    }) | ranges::views::join | ranges::to<std::vector<std::string>>();
 
    return emails;
}
 
int main() {
    std::string filename = "emails.txt"; // 假设存在一个名为 emails.txt 的文件
    std::vector<std::string> emails = extract_emails_ranges(filename);
 
    for (const auto& email : emails) {
        std::cout << email << std::endl;
    }
 
    return 0;
}

这个例子更复杂一些，但也更能体现Ranges的威力。

• ranges::getlines(file): ranges 提供的读取文件每一行的 range。简化了文件读取操作。
• 使用 ranges::views::transform 和 std::cregex_iterator 将每一行转换为一个包含所有匹配邮箱地址的 range。
• ranges::views::join 将所有行的邮箱地址 range 连接成一个单一的邮箱地址 range。
• 最后，使用 ranges::to<std::vector<std::string>> 将结果转换为 std::vector<std::string>。

通过Ranges库，我们可以将复杂的数据处理逻辑分解成小的、可组合的步骤，从而提高代码的可读性和可维护性。

5. Ranges库的优势与局限

5.1 优势

• 代码简洁：Ranges库可以大大减少代码量，提高代码的表达能力。
• 可读性强：Ranges库的代码更易于理解，即使不熟悉Ranges库，也能很容易理解其功能。
• 可组合性高：Ranges库鼓励将小的、功能单一的操作组合成复杂的操作流水线。
• 效率高：Ranges库中的很多操作都是延迟执行的，可以避免不必要的计算。

5.2 局限

• 学习曲线：Ranges库引入了一些新的概念，需要一定的学习成本。
• 编译时间：Ranges库使用了大量的模板元编程，可能会增加编译时间。
• 调试难度：Ranges库的代码通常比较复杂，可能会增加调试难度。
• 并非所有编译器都完全支持：虽然 C++20 已经标准化，但并非所有编译器都完全支持 Ranges 库的所有特性。在使用前请确认你的编译器支持情况。

6. 总结与展望

C++20 Ranges库是一项强大的工具，它可以大大提高代码的表达能力和可维护性。虽然Ranges库有一定的学习成本，但一旦掌握，将会受益匪浅。未来，Ranges库将会得到更广泛的应用，成为C++开发的标配。

希望本文能够帮助你入门Ranges库，并在实际项目中灵活运用。让我们一起拥抱C++20，编写更优雅、更高效的代码！

最后，推荐一些学习资源：

• Eric Niebler's Range-v3 library: https://github.com/ericniebler/range-v3 (Ranges库的早期实现，很多概念和设计都源于此)
• cppreference.com: https://en.cppreference.com/w/cpp/ranges (C++标准库的官方文档，可以查阅Ranges库的各种类型和函数)
• 书籍: 搜索关于 C++20 的书籍，通常会包含 Ranges 库的章节。

多实践，多思考，你也能成为Ranges库的大师！

祝你编程愉快！