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C++20 的发布为现代 C++ 编程带来了诸多革新，其中范围库（Ranges Library）的引入无疑是浓墨重彩的一笔。范围库是对算法和迭代器库的扩展与泛化，它通过提供更强大、更易用且不易出错的接口，极大地提升了 C++ 在处理序列数据时的表达能力和灵活性。本文将深入探讨 C++20 范围库的核心特性、使用方法以及它为开发者带来的实际好处。
一、范围库的核心概念
（一）范围（Range）
范围是范围库中的核心概念，它表示一个可迭代的序列。范围可以是容器（如 std::vector、std::list 等），也可以是通过迭代器对定义的子序列，甚至是动态生成的序列。范围库中的算法和适配器都围绕范围展开，使得对序列的操作更加直观和高效。
（二）视图（View）
视图是范围的一种轻量级表示形式，它不直接存储数据，而是通过某种方式间接表示一个可迭代序列。视图可以是原始范围的子集，也可以是对原始范围进行某种变换后的结果。例如，std::views::filter 可以生成一个只包含满足特定条件的元素的视图，而 std::views::transform 可以生成一个对原始范围中每个元素应用某种函数后的视图。视图的引入使得范围库的操作更加灵活和高效，因为视图的计算通常是惰性的，只有在实际迭代时才会进行必要的计算。
二、范围库的主要特性
（一）范围工厂
范围库提供了一系列范围工厂，用于创建不同类型和特性的范围。以下是一些常见的范围工厂：
std::ranges::empty_view：表示一个没有元素的空范围，可用于初始化或作为占位符。std::ranges::single_view：表示一个只包含单个元素的范围，可用于将单个值包装成范围形式，方便与范围库的其他操作结合使用。std::ranges::iota_view：表示一个由通过重复递增初始值生成的序列组成的范围，可用于生成连续的整数序列或其他递增序列。std::ranges::repeat_view：表示一个由通过重复产生相同值而生成的序列组成的范围，可用于生成无限重复的序列。std::ranges::basic_istream_view：表示一个由通过连续应用关联输入流上的operator>>获取的元素组成的范围，可用于从输入流中逐个读取数据并形成范围。
（二）范围适配器
范围适配器是范围库中的另一个重要组成部分，它允许对范围进行各种变换和操作。适配器可以组合成管道，以便在迭代视图时执行其操作。以下是一些常见的范围适配器：
std::views::all：表示包含原始范围所有元素的视图，可用于将范围转换为视图形式，以便与其他适配器组合使用。std::views::filter：表示由满足特定谓词的原始范围的元素组成的视图，可用于筛选出符合特定条件的元素。std::views::transform：表示将转换函数应用于原始范围中每个元素的视图，可用于对范围中的元素进行某种变换。std::views::take：表示由原始范围的前 N 个元素组成的视图，可用于获取范围的前缀部分。std::views::drop：表示由跳过原始范围的前 N 个元素后的剩余元素组成的视图，可用于获取范围的后缀部分。std::views::join：表示由扁平化原始范围的视图获得的序列组成的视图，可用于将嵌套的范围展平为一个单一的范围。std::views::split：表示在通过使用分隔符拆分原始范围获得的子范围上的视图，可用于将范围分割成多个子范围。
（三）范围算法
范围库还提供了一系列范围算法，这些算法是对标准库中已有算法的扩展和泛化，它们可以直接作用于范围，而无需显式地提供迭代器对。例如，std::ranges::sort 可以对范围进行排序，std::ranges::find 可以在范围内查找特定元素等。范围算法的引入使得对范围的操作更加简洁和直观，同时也避免了因手动传递迭代器对而可能引入的错误。
三、范围库的使用示例
（一）使用范围工厂和适配器
以下示例展示了如何使用范围工厂和适配器来创建和操作范围：
#include <iostream>
#include <ranges>
int main() {
auto const ints = {
0, 1, 2, 3, 4, 5};
auto even = [](int i) {
return 0 == i % 2; };
auto square = [](int i) {
return i * i; };
// 使用范围工厂和适配器创建视图
auto even_squares = ints | std::views::filter(even) | std::views::transform(square);
// 输出结果
for (int i : even_squares) {
std::cout << i << ' ';
}
return 0;
}
输出结果为：
0 4 16
在这个示例中，我们首先定义了一个整数数组 ints，然后使用范围工厂和适配器创建了一个视图 even_squares，它表示 ints 中所有偶数的平方。最后，我们通过范围的迭代器输出了 even_squares 中的元素。
（二）使用范围算法
以下示例展示了如何使用范围算法对范围进行操作：
#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>
int main() {
std::vector<int> vec = {
5, 2, 9, 1, 5, 6};
// 使用范围算法对范围进行排序
std::ranges::sort(vec);
// 输出排序后的结果
for (int i : vec) {
std::cout << i << ' ';
}
return 0;
}
输出结果为：
1 2 5 5 6 9
在这个示例中，我们使用 std::ranges::sort 对 std::vector 中的元素进行了排序，而无需显式地提供迭代器对。
四、范围库的优势
（一）提高代码的可读性和可维护性
范围库的引入使得对序列的操作更加直观和简洁，避免了复杂的迭代器操作和手动循环。通过使用范围工厂和适配器，我们可以以一种声明式的方式表达对序列的操作，从而使代码更加易于理解和维护。
（二）增强代码的灵活性和复用性
范围库中的视图和适配器可以组合成管道，以便在迭代视图时执行其操作。这种组合方式使得我们可以轻松地对序列进行多种变换和操作，而无需编写大量的中间代码。同时，范围库的接口设计也使得我们可以方便地将范围操作与其他库（如标准库容器、算法等）结合使用，从而提高了代码的复用性。
（三）提升性能
范围库中的视图通常是惰性的，只有在实际迭代时才会进行必要的计算。这种惰性计算方式使得我们可以避免不必要的中间结果存储，从而提升了性能。此外，范围库还提供了一些优化的算法和适配器实现，进一步提高了对序列操作的效率。
五、总结
C++20 范围库的引入为现代 C++ 编程带来了巨大的变革，它通过提供更强大、更易用且不易出错的接口，极大地提升了 C++ 在处理序列数据时的表达能力和灵活性。范围库的核心概念（如范围、视图等）以及其主要特性（如范围工厂、范围适配器、范围算法等）都为开发者提供了全新的编程方式和思路。通过使用范围库，我们可以编写出更加简洁、直观、高效且易于维护的代码。随着 C++20 的普及和应用，范围库必将在现代 C++ 编程中发挥越来越重要的作用。