C++20 ranges 库：链式过滤与变换的实现

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在 C++20 之前，使用 STL 容器进行链式过滤、变换以及组合时，往往需要写一连串的 std::copy_if、std::transform 或者自己实现迭代器包装。C++20 的 ranges 库为这类操作提供了直观而高效的语法。下面通过一个完整的示例，展示如何利用 std::ranges 实现一个链式过滤、变换以及聚合的流程，并讨论其性能与可维护性优势。

1. 背景与需求

假设我们有一份用户数据，结构如下： 

struct User {
    int id;
    std::string name;
    int age;
    double balance;
};

现在的业务需求是：

  1. 过滤出年龄在 18 岁以上且余额大于 1000 的用户。
  2. 将这些用户的姓名转换为大写。
  3. 计算这些用户的平均余额。

传统实现（C++14）大约需要 30 行代码，且每一步都需要显式的循环或算法调用。

2. C++20 ranges 的优势

  • 表达式式语义：可以像写数学表达式一样写出链式操作。
  • 懒执行：只有在最终需要结果时才真正执行，避免不必要的拷贝。
  • 类型安全：编译器能在编译期检查大多数错误。

3. 示例代码

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

struct User {
    int id;
    std::string name;
    int age;
    double balance;
};

// 辅助函数：将字符串转换为大写
inline std::string to_upper(std::string s) {
    std::transform(s.begin(), s.end(), s.begin(),
                   [](unsigned char c){ return std::toupper(c); });
    return s;
}

int main() {
    // 初始化数据
    std::vector <User> users = {
        {1, "alice", 23, 1200.5},
        {2, "bob", 17, 800.0},
        {3, "carol", 35, 1500.0},
        {4, "dave", 19, 950.0}
    };

    // 1. 过滤条件
    auto filtered = users 
        | std::views::filter([](const User& u){ 
              return u.age >= 18 && u.balance > 1000.0; 
          });

    // 2. 变换：姓名大写
    auto names = filtered 
        | std::views::transform([](const User& u){ 
              return to_upper(u.name); 
          });

    // 3. 输出姓名列表
    std::cout << "符合条件的用户姓名（大写）:\n";
    for (const auto& name : names) {
        std::cout << "  " << name << '\n';
    }

    // 4. 计算平均余额（需要先提取余额）
    auto balances = filtered 
        | std::views::transform([](const User& u){ return u.balance; });

    double avg_balance = 0.0;
    size_t count = 0;
    for (double bal : balances) {
        avg_balance += bal;
        ++count;
    }
    if (count) avg_balance /= count;

    std::cout << "\n平均余额: " << avg_balance << '\n';

    return 0;
}

代码说明

  1. 过滤：std::views::filter 接收一个 lambda，返回符合条件的子范围。
  2. 变换：std::views::transform 对每个元素应用一个转换函数。
  3. 遍历：使用范围 for 循环，内部会按需按元素产生。
  4. 聚合：为了计算平均值，先提取余额为一个新范围，然后手动累加。若想更简洁，可结合 std::ranges::accumulate 或自定义累加器。

4. 性能与可读性

  • 懒加载：过滤、变换都不会导致中间临时容器的生成。
  • 单遍：在计算平均余额时，实际上只遍历一次。
  • 可维护：每一步逻辑清晰、分离，修改过滤条件或变换方式只需改动对应 lambda。

5. 常见陷阱

  1. 视图是非持久的：filtered、names、balances 都是视图，不保存数据。若在后续使用中需要多次遍历，最好缓存为 std::vector。
  2. 引用生命周期：若使用 lambda 捕获外部变量，请确保生命周期足够长。

6. 进一步扩展

  • 使用 std::ranges::filter_view、std::ranges::transform_view 的命名空间别名 views，让代码更短。
  • 引入 std::ranges::to（C++23）将视图转换为容器。
  • 与 std::ranges::views::split 结合，处理更复杂的数据流水线。

7. 结语

C++20 的 ranges 库以其简洁、懒执行与强类型安全，为链式数据处理提供了强大的工具。掌握 views::filter 与 views::transform 的组合使用，可以大幅提升代码的可读性与运行效率，是现代 C++ 开发者不可或缺的技能之一。

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