## 如何利用 C++20 的 std::ranges 高效处理容器数据

作者

C++20 标准引入了 std::ranges 库，它将 STL 容器和算法与概念（Concepts）以及范围（Range）模型结合起来，极大地方便了对容器数据的处理。本文从基础概念入手，展示 std::ranges 如何让代码更简洁、表达更直观，并通过实例演示其高效优势。

1. 范围（Range）概念

在传统 STL 中，算法需要两个迭代器参数（begin、end）来标识操作区间。std::ranges 把这两个迭代器封装成一个范围对象（Range），并将算法改为接受范围作为单一参数。这样做的好处是：

  • 更少的重复代码：不再手动传递 begin/end。
  • 更安全：避免传递错误的迭代器对。
  • 更易组合：范围可以通过管道（|）符号串联多个操作。

2. 范围适配器（Range Adapters）

std::ranges 提供了多种适配器，用来变换、过滤或重组范围，而不需要显式地编写循环。常见适配器包括：

  • std::views::filter：按条件筛选元素。
  • std::views::transform：对元素做一次性转换。
  • std::views::reverse：反向遍历。
  • std::views::take / std::views::drop：截取前后若干元素。

适配器本身是惰性求值（lazy），只有在真正迭代时才执行，保证了性能。

3. 示例：统计字符串长度

下面演示一个经典场景：给定一个字符串集合，统计长度大于 5 的字符串数量。

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

int main() {
    std::vector<std::string> words{
        "hello", "world", "C++", "ranges", "concepts", "template"
    };

    // 直接用 ranges 过滤并计数
    auto count = std::ranges::count_if(
        words,
        [](const std::string& s){ return s.size() > 5; }
    );

    std::cout << "长度 > 5 的字符串数量: " << count << '\n';
}

传统写法：

int count = 0;
for (const auto& w : words)
    if (w.size() > 5) ++count;

虽然两者都很简洁，但 ranges 版本更具表达力，尤其在链式操作时优势更明显。

4. 更复杂的链式操作

假设我们想做以下操作：取出长度大于 3 的字符串，将其全部转成大写，再倒序输出。

#include <algorithm>
#include <cctype>
#include <iterator>

int main() {
    std::vector<std::string> words{
        "apple", "banana", "kiwi", "cherry", "mango"
    };

    auto upper = [](std::string s){
        std::transform(s.begin(), s.end(), s.begin(),
                       [](unsigned char c){ return std::toupper(c); });
        return s;
    };

    auto view = words | std::views::filter([](const std::string& s){ return s.size() > 3; })
                      | std::views::transform(upper)
                      | std::views::reverse;

    for (const auto& w : view)
        std::cout << w << ' ';
    std::cout << '\n';
}

输出：

MANGO CHERRY BANANA APPLE

整个过程只用一行链式表达，极大提升代码可读性。

5. 性能考量

  • 惰性求值：适配器只在真正迭代时才执行，避免不必要的中间容器。
  • 概念约束：编译器在编译时检查类型安全，减少运行时错误。
  • 函数内联：std::ranges 函数往往被内联，消除了函数调用开销。

在大多数情况下，使用 std::ranges 与传统 STL 并没有显著的性能差距，甚至在复杂链式操作中反而更快，因为编译器可以更好地优化整体流程。

6. 小结

  • std::ranges 通过范围和适配器提供了更直观、更安全的容器操作方式。
  • 其惰性求值和概念约束使得代码既简洁又高效。
  • 在需要复杂数据处理链的场景中，std::ranges 能大幅降低代码量并提升可维护性。

如果你正在使用 C++20 或更高版本，强烈建议尝试 std::ranges，它将成为你日常编码的强大工具。

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