题目：C++20 中的 Ranges 与 Views：让你的数据处理更优雅

作者

在 C++20 之前，处理容器数据往往需要显式循环、拷贝或手写算法。随着标准库的更新，ranges 与 views 的引入让这一切变得更简洁、更高效。本文将通过一组实战例子，展示如何使用 std::ranges 与 std::views 来简化代码、提升可读性，并在保持性能的同时减少错误。

1. Ranges 基础

std::ranges::range 是一种概念（concept），它表示一段可以被迭代的对象。标准容器、原始数组以及自定义类型，只要满足 begin()、end() 或 size() 等成员/非成员函数，即可作为 Range 使用。

#include <vector>
#include <ranges>

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

for (int x : vec | std::ranges::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; })) {
    std::cout << x << ' ';   // 输出 2 4
}

上例通过管道运算符 | 将视图（view）链接到原始容器，形成了一个“延迟求值”的可迭代对象。所有过滤操作都是按需执行，避免了中间容器的拷贝。

2. 视图（Views）常用类型

视图 作用 代码示例
std::views::filter 按条件筛选元素 view | std::views::filter(p)
std::views::transform 对每个元素做变换 view | std::views::transform(f)
std::views::reverse 反转迭代顺序 view | std::views::reverse
std::views::take 取前 N 个元素 view | std::views::take(n)
std::views::drop 跳过前 N 个元素 view | std::views::drop(n)
std::views::join 合并子容器 view | std::views::join

2.1 组合使用

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

int main() {
    std::vector<std::vector<int>> data = {{1, 2, 3}, {4, 5}, {6, 7, 8, 9}};
    auto flat = data 
        | std::views::join                 // 展开成单层视图
        | std::views::filter([](int x){ return x % 2 == 0; }) // 只保留偶数
        | std::views::transform([](int x){ return x * x; });  // 平方

    for (int v : flat) {
        std::cout << v << ' ';   // 输出 4 16 36 64
    }
}

这段代码只用了一行 for 循环，却完成了展开、筛选、变换等多重操作。整个过程都是懒执行，真正的计算在需要时才发生。

3. std::ranges::action 与 std::ranges::subrange

如果你需要把视图的结果写回容器，ranges::actions 提供了便利。

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

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

    vec 
        | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; })
        | std::ranges::actions::sort();          // 先筛选，再排序

    // vec 现在是 {2, 4}
}

std::ranges::actions 作用于范围本身，而不是产生新的范围。你也可以直接使用 std::ranges::subrange 来创建一个自定义范围：

auto sub = std::ranges::subrange(vec.begin() + 1, vec.begin() + 4);

4. 性能注意事项

  • 懒求值：所有视图都是懒加载，只有在迭代时才会执行。这样避免了不必要的中间拷贝。
  • 复制与引用：transform 的 lambda 默认会捕获值，若你想避免拷贝可以使用 std::ref 或 std::cref。
  • 迭代器复杂度：标准视图提供的迭代器均符合 ForwardIterator 或更高的概念。reverse 视图在 BidirectionalIterator 上实现，而 take、drop 视图在 RandomAccessIterator 上更高效。

5. 与传统算法的对比

下面用一个经典问题：计算一个整数数组中偶数平方之和，分别用传统 std::accumulate 与 Ranges。

// 传统方式
int sum1 = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), 0,
    [](int acc, int x){ return acc + ((x % 2 == 0) ? x * x : 0); });

// Ranges 方式
int sum2 = std::accumulate(
    vec 
    | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; })
    | std::views::transform([](int n){ return n * n; }),
    0,
    std::plus{}
);

后者代码更清晰，逻辑也更分层。若你使用 C++20 或更高版本，强烈建议在可行的地方使用 Ranges 与 Views。

6. 结语

C++20 的 ranges 与 views 是一次范式的升级，让我们可以像处理“数据流”一样处理容器。通过组合简单的视图，你可以写出既短小又不失可读性的代码，同时保持或提升性能。下一步，你可以尝试将这些概念迁移到更复杂的业务场景，例如大规模日志处理、图数据遍历或并行算法。祝你编码愉快！

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