C++ Ranges 教程

C++20 引入了 ranges（范围），这是一个强大且优雅的抽象，用于处理序列（如数组、vector 等）。相比传统的迭代器或旧式循环，Ranges 提高了代码的可读性、可组合性和性能。

什么是 Range？

在 C++20 中，range（范围） 是一种抽象，代表一个可以迭代的元素序列。它与 views（视图） 和 actions（操作） 如过滤、转换等配合使用非常自然。

传统循环 vs 基于 Range 的循环

#include <iostream>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4};

    // 旧式循环
    for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it)
        std::cout << *it << ' ';

    // 基于范围的循环（C++11）
    for (auto x : v)
        std::cout << x << ' ';
}

Range Views（视图）

View 是惰性的、可组合的范围操作。除非需要，一般不会复制数据。

Filter 和 Transform 示例

#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>

int main() {
    std::vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5, 6};

    auto even_doubled = v 
        | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; })
        | std::views::transform([](int n) { return n * 2; });

    for (int n : even_doubled)
        std::cout << n << ' ';  // 输出：4 8 12
}

常见的 Views

使用 iota 和 reverse

#include <ranges>
#include <iostream>

int main() {
    for (int i : std::views::iota(1, 6) | std::views::reverse)
        std::cout << i << ' '; // 输出：5 4 3 2 1
}

组合视图操作

你可以使用管道符 | 流式地组合多个视图操作。

#include <vector>
#include <ranges>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> v = {5, 10, 15, 20};

    auto result = v 
        | std::views::transform([](int x) { return x + 1; })
        | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 0; });

    for (int x : result)
        std::cout << x << ' '; // 输出：6 16
}

实用示例

1. 过滤偶数

#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6};

    auto evens = numbers 
        | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; });

    for (int n : evens)
        std::cout << n << ' ';  // 输出：2 4 6
}

2. 将奇数翻倍

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};

    auto doubled_odds = numbers
        | std::views::filter([](int n) { return n % 2 != 0; })
        | std::views::transform([](int n) { return n * 2; });

    for (int n : doubled_odds)
        std::cout << n << ' ';  // 输出：2 6 10
}

3. 反转序列

int main() {
    std::vector<int> nums = {10, 20, 30};

    auto reversed = nums | std::views::reverse;

    for (int n : reversed)
        std::cout << n << ' ';  // 输出：30 20 10
}

4. 生成数值序列

#include <ranges>

int main() {
    for (int i : std::views::iota(1, 6))
        std::cout << i << ' ';  // 输出：1 2 3 4 5
}

5. 获取前 N 个元素

int main() {
    auto infinite = std::views::iota(1); // 无限序列
    auto first5 = infinite | std::views::take(5);

    for (int i : first5)
        std::cout << i << ' ';  // 输出：1 2 3 4 5
}

6. 计算前 5 个奇数的平方和

#include <numeric>

int main() {
    auto odd_squares = std::views::iota(1)
        | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 1; })
        | std::views::transform([](int x) { return x * x; })
        | std::views::take(5);

    int sum = std::accumulate(odd_squares.begin(), odd_squares.end(), 0);
    std::cout << "和 = " << sum << '\n'; // 输出：和 = 165
}

7. 判断是否所有元素都为正数

#include <ranges>
#include <algorithm>
#include <vector>
#include <iostream>

int main() {
    std::vector<int> nums = {1, 2, 3};

    bool all_positive = std::ranges::all_of(nums, [](int n) { return n > 0; });

    std::cout << std::boolalpha << all_positive << '\n'; // 输出：true
}

8. 自定义管道函数

auto pipeline = [](const std::vector<int>& v) {
    return v 
        | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 0; })
        | std::views::transform([](int x) { return x * 10; });
};

int main() {
    std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4};

    for (int x : pipeline(nums))
        std::cout << x << ' '; // 输出：20 40
}

性能提示

• Ranges 是惰性的：仅在需要时才处理元素。
• 避免不必要的分配与复制。
• 适合处理大型数据或函数管道。

何时不适合使用 Ranges

• 在对性能极度敏感的内循环中，STL 抽象可能较慢。
• 当项目尚未迁移到 C++20。

参考资料

• cppreference – <ranges> 头文件
• C++20 Ranges 库

英文：Tutorial on C++ Ranges