如何使用 C++20 的 ranges 来简化集合操作

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在 C++20 之前，处理容器的常见模式往往需要显式的循环、迭代器或者 STL 算法，例如 std::for_each, std::transform, std::accumulate 等。随着 C++20 引入的 ranges 库，代码的可读性和可维护性都有了显著提升。本文将通过几个实战例子，展示如何利用 ranges 来简化集合操作，并对其背后的实现机制做简要说明。

1. 预备知识

在使用 ranges 前，需要确保编译器支持 C++20 标准，并在头文件中包含 ranges 的相关头文件：

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

std::ranges 主要提供了以下核心概念：

  • View：对容器进行惰性、链式变换的“视图”，如 std::views::filter, std::views::transform 等。
  • Actions：对容器进行立即变换的操作，如 std::ranges::sort, std::ranges::reverse 等。
  • Range：可迭代对象的抽象，几乎所有标准容器都符合。

2. 过滤与变换

假设我们有一个整数向量，想要得到所有偶数的平方和。传统做法可能是：

std::vector <int> nums{1,2,3,4,5,6};
int sum = 0;
for (int n : nums) {
    if (n % 2 == 0) {
        sum += n * n;
    }
}
std::cout << sum << '\n';

使用 ranges，可以写成：

int sum = std::accumulate(
    nums | std::views::filter([](int n){ return n % 2 == 0; }) |
    std::views::transform([](int n){ return n * n; }),
    0, std::plus{}
);
std::cout << sum << '\n';

这里的关键点：

  • nums | std::views::filter(...)：返回一个惰性过滤视图，仅在需要时才检查元素。
  • | std::views::transform(...)：链式变换，将每个偶数映射为其平方。
  • std::accumulate：对视图中的元素进行累加。

这种方式的优点是：

  1. 代码更加声明式，描述的是“做什么”，而非“怎么做”。
  2. 视图是惰性的，避免了中间容器的创建，提高性能。

3. 组合视图与排序

有时我们需要先过滤、再排序，再取前几个结果。下面演示如何把这些步骤整合：

auto top_three = nums
    | std::views::filter([](int n){ return n > 3; })
    | std::views::transform([](int n){ return std::pair{n, n*n}; })
    | std::views::take(3)
    | std::views::reverse; // 取最大的 3 个

for (auto [val, sq] : top_three) {
    std::cout << val << '^2 = ' << sq << '\n';
}

在这里：

  • std::views::take(3) 直接限制视图长度，无需创建临时容器。
  • std::views::reverse 在已取完前三个后逆序，得到降序排列。

4. 修改容器的动作

如果想对容器本身做变换（如排序），可以使用 ranges 的 action：

auto vec = std::vector <int>{3, 1, 4, 1, 5, 9};
std::ranges::sort(vec);   // 原地排序
std::ranges::reverse(vec); // 原地反转

这些动作与传统 std::sort 的区别在于语义更清晰，同时可以直接作用于任何符合 range 概念的容器。

5. 自定义 View

有时标准视图不够用，你可以自定义一个简单的视图。例如，一个“偶数索引”视图：

template<std::ranges::input_range R>
requires std::ranges::view <R>
auto even_index_view(R&& r)
{
    return std::views::transform(std::forward <R>(r),
        [idx = 0, i = 0](auto&& x) mutable {
            if (i % 2 == 0) {
                return x;
            }
            ++idx;
            return std::nullopt; // 过滤掉奇数索引
        })
        | std::views::filter([](auto&& x){ return static_cast <bool>(x); })
        | std::views::transform([](auto&& x){ return *x; });
}

虽然略显冗长，但展示了 ranges 的灵活性。利用 views::transform 的闭包，你可以在一次遍历中完成多种复杂逻辑。

6. 性能考虑

  • 惰性 vs 立即：视图是惰性的，适用于需要链式操作而不想产生中间容器的场景。若操作非常简单且数据量大，惰性可能会产生额外的迭代器包装成本，影响性能。此时可以考虑使用 action 或者直接 STL 算法。
  • 缓存视图：若同一个视图会多次使用，建议将其存入 auto 变量，避免每次都重新创建。

7. 小结

C++20 的 ranges 库为集合操作提供了更自然、更高层次的表达方式。通过视图和动作的组合，代码可读性显著提升，且在大多数场景下性能不亚于手写循环。建议在现代 C++ 项目中逐步引入 ranges，尤其是需要频繁对容器做过滤、变换、聚合等操作时。

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