利用 C++20 标准库中的 std::ranges：简化数据处理

在 C++20 之后，标准库引入了 std::ranges 子域，为容器、算法以及视图（view）提供了更自然、更安全、更简洁的接口。相较于传统的基于迭代器的算法调用，std::ranges 通过范围（range）来隐藏迭代器细节，让代码更易读、易维护，同时提供了更强的类型安全性。本文将通过几个实际例子来说明 std::ranges 的强大之处，并展示如何在日常项目中快速上手。

1. 传统算法写法与 `ranges` 对比

#include <vector>
#include <algorithm>
#include <numeric>
#include <iostream>

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

    // 传统写法：使用 std::copy_if
    std::vector <int> even;
    std::copy_if(nums.begin(), nums.end(),
                 std::back_inserter(even),
                 [](int n){ return n % 2 == 0; });

    // 传统写法：求和
    int sum = std::accumulate(nums.begin(), nums.end(), 0);

    std::cout << "Even numbers: ";
    for (int n : even) std::cout << n << ' ';
    std::cout << "\nSum: " << sum << '\n';
}

上述代码在做两个操作：筛选偶数、计算总和。虽然功能完整，但代码中反复出现了迭代器的使用，显得冗长且容易出错。std::ranges 让这些操作可以更简洁地链式调用。

2. `ranges` 的核心概念

关键词	说明
Range	表示一段可遍历的元素序列，例如 `std::vector
`、`std::array`、`std::initializer_list` 等。
View	对原始 Range 的无所有权（non-owning）包装，支持延迟求值（lazy evaluation），如 `std::views::filter`, `std::views::transform` 等。
Action	对 View 进行一次性计算的操作，如 `std::ranges::for_each`, `std::ranges::sort` 等。

这些概念使得 ranges 能够在表达式层面上构建“管道”，并在需要时才触发执行。

3. 使用 `std::ranges` 进行筛选和求和

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

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

    // 1. 通过视图筛选偶数
    auto evens = nums | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; });

    // 2. 将视图转换为 vector
    std::vector <int> even_vec(evens.begin(), evens.end());

    // 3. 直接在范围上求和
    int sum = std::ranges::accumulate(nums, 0);

    std::cout << "Even numbers: ";
    for (int n : even_vec) std::cout << n << ' ';
    std::cout << "\nSum: " << sum << '\n';
}

关键点

管道符号 (|)：将容器与视图链式连接。可视为“从左往右”处理数据。
无迭代器暴露：不再显式写出 begin()/end()，提高代码可读性。
延迟求值：evens 并未立刻产生结果，只有在遍历或转换为容器时才执行。

4. 链式多重视图

假设我们想先筛选偶数，再对其平方，最后只保留大于 10 的结果。可以一次性完成：

auto result = nums | 
    std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }) |    // 只取偶数
    std::views::transform([](int n){ return n * n; }) |       // 平方
    std::views::filter([](int n){ return n > 10; });           // 只保留 > 10

for (int v : result) std::cout << v << ' ';   // 输出 16 36 64 ...

整个流程以表达式形式写出，极大地提升可维护性。

5. 与容器互操作

虽然 ranges 主要针对容器，但也可以和自定义容器一起使用，只要满足 Range 的概念。下面示例演示自定义链表与 ranges 的结合：

#include <ranges>
#include <iostream>

struct Node {
    int value;
    Node* next = nullptr;
};

class LinkedList {
public:
    using iterator = /* 需要自行实现 */;
    // 只要满足 std::ranges::input_range 就能使用
    // 这里简化省略完整实现
};

int main() {
    LinkedList list;
    // 填充数据...
    // 通过 ranges 进行操作
    for (int v : list | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; })) {
        std::cout << v << ' ';
    }
}

实现细节与容器无关，核心是让 LinkedList::iterator 满足输入迭代器的概念。

6. 性能与安全

延迟求值：std::views 在遍历时逐个产生元素，避免了临时容器的复制开销。
类型安全：ranges 的模板推导更严格，能在编译期捕获错误。例如，错误使用 std::views::filter 与非可调用对象会触发编译错误。
可组合性：视图可以自由组合，且不产生副作用，符合函数式编程的理念。

7. 如何快速上手？

更新编译器：确保使用支持 C++20 的编译器（GCC 10+, Clang 12+, MSVC 16.10+）。
头文件：仅需 `#include `。
从简单案例做起：先在小型程序中尝试 std::views::filter、std::views::transform 等。
阅读标准：官方文档提供了完整 API 列表与使用示例。
逐步迁移：将已有的 std::copy_if、std::transform 替换为对应的 ranges 版本，逐步完善。

8. 结语

std::ranges 是 C++20 重要的语言/库特性之一，借助它可以让代码更短、更易读、更安全。无论是对容器的直接操作，还是对自定义数据结构的使用，ranges 都提供了统一的、现代化的编程方式。建议从小项目开始实践，一旦熟悉后在更大规模代码中逐步推广，必将带来显著的开发效率提升。

1. 传统算法写法与 ranges 对比

2. ranges 的核心概念

3. 使用 std::ranges 进行筛选和求和

关键点