C++—range

C++20 引入了 range 来简化对元素序列的处理（可以省略掉许多的循环遍历）。

1. range 和 view

range

range concept 通过提供一个迭代器以及一个哨兵来表示一个元素范围，以允许对某个类型进行遍历。

template<class T>
concept range = requires(T& t) {
  ranges::begin(t);
  ranges::end  (t);
};

如，vector 就是一个 range:

std::vector<int> vec{ 1, 2, 3 };

auto it1 = std::ranges::begin(vec);
auto it2 = std::ranges::end(vec);

---

view

view 是一个 range，且具有常数时间复杂度的的拷贝、移动和赋值操作（如，直接操作一对迭代器、或使用生成器来按需生成元素）。

template<class T>
concept view = ranges::range<T> && std::movable<T> && ranges::enable_view<T>;

template<class T>
inline constexpr bool enable_view =
    std::derived_from<T, view_base> || /*is-derived-from-view-interface*/<T>;

如，可通过 iota 来创建一个 view，类似于 Python 中的 range:

auto v1 = std::views::iota(1);        // [1, +inf)
auto v2 = std::views::iota(1, 10);    // [1, 10)

for (int i : v2)
{
    std::cout << i << ' ';
}

2. 范围工厂

会创建一个 view。

iota：创建一个不断递增的元素序列，可以是有界的，也可以是无界的。

#include <iostream>
#include <ranges>

int main()
{
    auto v1 = std::views::iota(10);        // [10, +inf)
    auto v2 = std::views::iota(1, 10);     // [1, 10)

    for (int i = 0; i < 10; i++)
    {
        std::cout << v1[i] << ' ';
    }
    std::cout << '\n';

    for (int i : v2)
    {
        std::cout << i << ' ';
    }
}

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
1 2 3 4 5 6 7 8 9

---

istream_view：对某个输入流不断地应用 operator >>，从而获得一系列的元素。

#include <iostream>
#include <sstream>
#include <ranges>

int main()
{
    std::istringstream nums("1.1 2.2 3.3\t4.4\n5.5");
    auto v = std::ranges::istream_view<float>(nums);

    for (float f : v)
    {
        std::cout << f << ", ";
    }
}

1.1, 2.2, 3.3, 4.4, 5.5,

3. 范围适配器

接受一个 range，对其执行某些操作后，返回结果 view。

counted：从指定位置开始获取 n 个元素。

std::vector<int> vec{ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 };

for (int i : std::views::counted(vec.begin() + 1, 3))
{
    std::cout << i << ' ';
}

2 3 4

---

drop：丢弃 range 中的前 n 个元素。

int nums[] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6 };

for (int i : std::views::drop(nums, 3))
{
    std::cout << i << ' ';
}

3 4 5 6

---

elements：获取第 n 列元素。

注：view 中的元素需要是 tuple-like 的。

std::vector<std::tuple<int, int, int>> vecs
{
    {1, 2, 3},
    {4, 5, 6},
    {7, 8, 9},
};

for (int i : std::views::elements<1>(vecs))
{
    std::cout << i << ' ';
}

2 5 8

---

filter：对 range 进行过滤，只保留符合条件的元素。

int nums[] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };
auto even = [](int i)
{
    return i % 2 == 0;
};

for (int i : std::views::filter(nums, even))
{
    std::cout << i << ' ';
}

0 2 4

---

join：合并多个 range。

std::vector<int> vec1{ 1, 2, 3 };
std::vector<int> vec2{ 4, 5, 6 };
std::vector<std::vector<int>> vecs{vec1, vec2};

for (int i : std::views::join(vecs))
{
    std::cout << i << ' ';
}

1 2 3 4 5 6

---

reverse：反转 range 中的元素。

const int a[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 };

for (int i : std::views::reverse(a))
{
    std::cout << i << ' ';
}

7 6 5 4 3 2 1

---

split：按指定的元素分割 range。

std::vector<int> vec{ 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 };

for (const auto& v : std::views::split(vec, 4))
{
    for (int i : v)
    {
        std::cout << i << ' ';
    }
    std::cout << '\n';
}

1 2 3
5 6 7

---

take：获取 range 中的前 n 个元素。

int nums[] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };

for (int i : std::views::take(nums, 3))
{
    std::cout << i << ' ';
}

0 1 2

---

transform：对 range 中的每个元素执行指定的转换操作，转换操作的返回值就是结果 view 中的元素。

int nums[] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };
auto square = [](int i)
{
    return i * i;
};

for (int i : std::views::transform(nums, square))
{
    std::cout << i << ' ';
}

0 1 4 9 16 25

4. 管道运算符

如果 C 是一个范围适配器闭包对象，R 是一个可以转换为 view 的 range，则 C(R) 等价于 R | C。

范围适配器闭包对象包括：一元范围适配器（只接受一个参数）、绑定了余下参数的多元范围适配器（只留下第一个参数未指定）和 R | C 的返回值。

int nums[] = { 0, 1, 2, 3, 4, 5 };

auto even = [](int i)
{
    return i % 2 == 0;
};

// 先过滤，然后反转过滤得到的元素
for (int i : nums | std::views::filter(even) | std::views::reverse)
{
    std::cout << i << ' ';
}

4 2 0

以下等价：

R | C | D     // (R | C) | D
R | (C | D)