C++20 STL CookBook 4:使用range在容器中创建view

目录

range view range_adaptor的三个概念

以std::string和std::string_view为例子

初次入手

补充

ranges的一些操作

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range view range_adaptor的三个概念

新的范围库是 C++20 中更重要的新增功能之一。它为过滤和处理容器提供了新的范例。范围为更有效和可读的代码提供了简洁直观的构建块。

在range view编程当中，三个概念是vital of importance的：

• 范围是可以迭代的对象集合。换句话说，任何支持 begin() 和 end() 迭代器的结构都是范围。这包括大多数 STL 容器。所以，毫无疑问的，std::vector是这样的，std::list是这样的，等等！也就是说，那些你一嘴能说出起始终末的容器都行

• 视图是转换另一个基础范围的范围。视图是惰性的，这意味着它们仅在范围迭代时运行。视图从基础范围返回数据并且本身不拥有任何数据。视图在 O(1) 常数时间内运行。

• 视图适配器是一个接受范围并返回视图对象的对象。可以使用 | 运算符将视图适配器与其他视图适配器链接起来。

我下面来进一步解释。

以std::string和std::string_view为例子

实际上我现在下一个结论：std::string就是一个range，std::string_view就是一个view，如何？

range实际上就是一个存储着实际对象的一个有限序列（什么是有限序列？很简单！只要你能说出来一串相同的东西，能找到第一个和最后一个的，就是有限序列），那这样看，我们就马上想到：std::string作为一个经典的字符串，实际上就是一个字符数组的高级封装。显然是一个有始有终的range。

我们知道在C++17，为了追求高效，我们引入了std::string_view。什么意思呢？

举个例子：我们阅读一个文件，我们实际上对文件的资源在谁手上完全不关心，我们只知道现在我们可以看到文件中的一串一串难懂的字符（透过库，自己搓的，标准库的接口），比如说一份介绍std::ranges的标准库说明手册。实际上我们不太关心这个资源需要被掌握在显示函数的手里，我们只是看一看，访问资源但不是占有资源。

聪明的同志很快就有想法了：这很简单，对于查看，我在保证字符串有效的情况下，直接偏移指针读到客户感兴趣的地方不就行了？也就是说，准备一个简单的struct:

struct FileBufferViewer{
     const char* index_view; // point to the string we cares
     unsigned long length; // the length user wanna read 
};

现在直接把指针怼到文件一长串字符里就好了！完全不需要我们拷贝这一串字符，然后幸幸苦苦的送到人家面前：“罢了！我不看了”，又灰头灰脸的扔掉！浪费时间！马上有人就知道了，这就是std::string_view的一个简单实现。

现在，View就是这个道理。Range是我们的目标源资源，我们有的时候不掌管资源的所属权，只是来转转看看，或者不骚扰的拷贝一份带走，或者只是远远的可玩不可亵渎。

初次入手

《C++20 STL CookBook》给出了一段例子。笔者这里列写一份

#include 
#include 
#include 
​
int main() {
    const std::vector v = {1, 2, 3, 4, 5};
​
    auto result = std::ranges::take_view(v, 3);
    
    for (int i : result) {
        std::cout << i << " ";
    }
​
    return 0;
}

我带着各位分析一次：

首先我们声明了一个非常安全的不动量std::vector，这就是我们的资源池，里面放着5个整数。现在，客户说我要看前三个！

有人就会

std::vector oh_bad_impl;
for(int i = 0; i < 3; i++) oh_bad_impl.push_back(v[i])

但是完全没必要！客户只是看前三个，何必大费周章的拷贝呢？万一下一次人家要的是一个几千万字符的前100万，那有该拷贝到何年何月。

所以一些人选择这种方式，那就是就地的入侵式的查：

#include 
#include 
#include 
​
int main() {
    const std::vector v = {1, 2, 3, 4, 5};
​
    const int index req = 3;
    
    for(int i = 0; i < req; i++)
        std::cout << v[i] << std::endl;
​
    return 0;
}

不差！甚至可以说是比较好的实现了。但是现在，我们可以优雅的解决这个问题

#include 
#include 
#include 
​
int main() {
    const std::vector v = {1, 2, 3, 4, 5};
​
    auto result = std::ranges::take_view(v, 3);
    
    for (int i : result) {
        std::cout << i << " ";
    }
​
    return 0;
}

好就好在，现在我们使用take_view将我们的查看行为跟资源本身解耦合了，使用的是View这个视窗！客户说：我要前三个：

auto result = std::ranges::take_view(v, 3);

这个result你拿去好了！你访问必是前三个！

客户说我要倒着看！

auto result = std::ranges::reverse_view(v)

客户说不光倒着看，我要倒着看它的平方值！

auto result = std::ranges::reverse_view(std::ranges::transform_view(v, [](int i){return i * i;}));

我承认上面写的太恶心了。所以这就要引出我们的重载的range_view操作符号 |，也叫管道操作符号。

    auto result = v | 
        std::views::reverse | 
        std::views::transform([](int i) {return i * i; });

现在我们就舒服一些了！代码从左往右看：首先是对我们的容器做：反转视图操作，再做平方变换操作。最后得到的view结果就是我们的视图结果。现在我们安心的查看，就是我们的要求！

标准库中有大量的views，这里列一些：

操作	版本	说明
views::all	C++20	返回一个视图，表示输入范围的所有元素。
views::empty	C++20	返回一个空视图。
views::take	C++20	创建一个视图，仅包含输入范围的前 N 个元素。
views::take_while	C++20	创建一个视图，直到谓词返回 false 为止，包含输入范围的元素。
views::drop	C++20	创建一个视图，忽略输入范围的前 N 个元素。
views::drop_while	C++20	创建一个视图，忽略满足谓词的元素，直到遇到第一个不满足的元素。
views::filter	C++20	创建一个视图，仅包含满足谓词的元素。
views::transform	C++20	创建一个视图，应用给定的转换函数到每个元素。
views::reverse	C++20	创建一个视图，元素顺序反转。
views::join	C++20	将多个范围连接成一个单一的视图。
views::split	C++20	将范围分割成多个子范围，基于指定的分隔符。
views::zip	C++23	创建一个视图，将多个范围“打包”在一起，以便可以同时迭代。
views::iota	C++20	创建一个视图，表示从起始值开始的连续递增序列。
views::take_exactly	C++23	创建一个视图，包含输入范围中的前 N 个元素，但要求必须恰好有 N 个元素。
views::drop_exactly	C++23	创建一个视图，忽略输入范围中的前 N 个元素，但要求必须至少有 N 个元素。
views::slide	C++20	创建一个滑动窗口视图，允许以特定的步长遍历元素。
views::chunk	C++23	创建一个视图，将输入范围分成固定大小的块。
views::cartesian_product	C++23	创建一个视图，表示输入范围的笛卡尔积。
views::transform_view	C++20	创建一个基于视图的变换，允许对元素进行转换。
views::filter_view	C++20	创建一个基于视图的过滤，允许筛选元素。
views::take_view	C++20	创建一个视图，仅包含输入范围的前 N 个元素。
views::drop_view	C++20	创建一个视图，忽略输入范围的前 N 个元素。
views::reverse_view	C++20	返回输入范围的元素反向视图。
views::transform_view	C++20	返回应用某个变换函数的视图。
views::filter_view	C++20	过滤出满足某个条件的元素视图。
views::cartesian_product	C++23	创建一个视图，表示输入范围的笛卡尔积。
views::concat	C++20	返回一个视图，连接多个范围的元素。
views::subrange	C++20	允许对一个范围的子区间进行视图操作。
views::transform	C++20	返回对每个元素应用指定函数的视图。
views::cycle	C++20	创建一个循环视图，允许重复迭代给定的范围。

下面可以练习一下：给定两个vector，每一个vector都有10个整数，他们放在一个复杂的叫做std::vector>当中，你需要拼接起来 + 平方 + 去除前五个和后五个后筛掉奇数显示出来！

using namespace std::views;

int main() {
    const std::vector v1 = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    const std::vector v2 = {11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20};
    const std::vector> v3 = { v1, v2 };
    auto result = v3 | join | 
        drop(5) |  reverse | drop(5) | reverse |
        transform([](int i) {return i * i;}) | 
        filter([](int i) {return i % 2 == 1;});

    for (int i : result) {
        std::cout << i << " ";
    }

    return 0;
}

补充

ranges的一些操作

操作	版本	说明
ranges::all_of	C++20	检查范围内的所有元素是否满足给定的谓词。
ranges::any_of	C++20	检查范围内的任一元素是否满足给定的谓词。
ranges::none_of	C++20	检查范围内是否没有任何元素满足给定的谓词。
ranges::for_each	C++20	对范围内的每个元素应用给定的函数。
ranges::for_each_n	C++20	对序列中的前 N 个元素应用函数对象。
ranges::count	C++20	返回范围内满足特定条件的元素数量。
ranges::count_if	C++20	返回范围内满足给定谓词的元素数量。
ranges::mismatch	C++20	找到两个范围内元素不同的第一个位置。
ranges::equal	C++20	判断两个元素集是否相同。
ranges::lexicographical_compare	C++20	如果一个范围在字典序上小于另一个范围，则返回 true。
ranges::find	C++20	查找范围内第一个满足特定条件的元素。
ranges::find_if	C++20	查找范围内第一个满足给定谓词的元素。
ranges::find_if_not	C++20	查找范围内第一个不满足给定谓词的元素。
ranges::find_last	C++23	查找范围内最后一个满足特定条件的元素。
ranges::find_last_if	C++23	查找范围内最后一个满足给定谓词的元素。
ranges::find_last_if_not	C++23	查找范围内最后一个不满足给定谓词的元素。
ranges::find_end	C++20	查找范围内最后一组元素的结束位置。
ranges::find_first_of	C++20	查找任何一组元素中的第一个元素。
ranges::adjacent_find	C++20	查找第一个相邻元素相等的项（或满足给定谓词的项）。
ranges::search	C++20	搜索范围内元素的第一次出现。
ranges::search_n	C++20	搜索范围内某个元素的第一次出现的连续 N 次副本。
ranges::contains	C++23	检查范围是否包含给定的元素。
ranges::contains_subrange	C++23	检查范围是否包含给定的子范围。
ranges::starts_with	C++23	检查一个范围是否以另一个范围开始。
ranges::ends_with	C++23	检查一个范围是否以另一个范围结束。
ranges::copy	C++20	将范围内的元素复制到新位置。
ranges::copy_if	C++20	复制范围内满足特定条件的元素到新位置。
ranges::copy_n	C++20	将数量为 N 的元素复制到新位置。
ranges::copy_backward	C++20	以反向顺序复制范围内的元素。
ranges::move	C++20	将范围内的元素移动到新位置。
ranges::move_backward	C++20	以反向顺序移动范围内的元素。
ranges::fill	C++20	将范围内的元素赋值为特定值。
ranges::fill_n	C++20	将数量为 N 的元素赋值为特定值。
ranges::transform	C++20	对范围内的每个元素应用函数并生成新范围。
ranges::generate	C++20	在范围内保存函数的结果。
ranges::generate_n	C++20	保存函数 N 次应用的结果。
ranges::remove	C++20	移除范围内满足特定条件的元素。
ranges::remove_if	C++20	移除范围内所有满足给定谓词的元素。
ranges::remove_copy	C++20	复制范围元素，省略满足特定条件的元素。
ranges::remove_copy_if	C++20	复制范围元素，省略所有满足给定谓词的元素。
ranges::replace	C++20	替换范围内所有满足特定条件的值为另一个值。
ranges::replace_if	C++20	替换范围内所有满足给定谓词的值为另一个值。
ranges::replace_copy	C++20	复制范围，并将满足特定条件的元素替换为另一个值。
ranges::replace_copy_if	C++20	复制范围，并将满足给定谓词的元素替换为另一个值。
ranges::swap_ranges	C++20	交换两个范围内的元素。
ranges::reverse	C++20	反转范围内的元素顺序。
ranges::reverse_copy	C++20	创建一个反转的范围副本。
ranges::rotate	C++20	旋转范围内元素的顺序。
ranges::rotate_copy	C++20	复制并旋转范围内的元素。
ranges::shuffle	C++20	随机重新排列范围内的元素。
ranges::shift_left	C++23	在范围内向左移动元素。
ranges::shift_right	C++23	在范围内向右移动元素。
ranges::sample	C++20	从序列中随机选择 N 个元素。
ranges::unique	C++20	移除范围内的连续重复元素。
ranges::unique_copy	C++20	创建一个没有连续重复元素的范围副本。
ranges::is_partitioned	C++20	确定范围是否按照给定的谓词分区。
ranges::partition	C++20	将范围元素分为两个组。
ranges::partition_copy	C++20	复制范围并将元素分为两个组。
ranges::stable_partition	C++20	将元素分为两个组，并保持其相对顺序。
ranges::partition_point	C++20	定位分区范围的分割点。
ranges::is_sorted	C++20	检查范围是否按升序排序。
ranges::is_sorted_until	C++20	找到最大的已排序子范围。
ranges::sort	C++20	将范围按升序排序。
ranges::partial_sort	C++20	排序范围中的前 N 个元素。
ranges::partial_sort_copy	C++20	复制并部分排序范围内的元素。
ranges::stable_sort	C++20	按升序排序范围，并保持相等元素的顺序。
ranges::nth_element	C++20	部分排序范围，使其按给定元素进行分区。
ranges::lower_bound	C++20	返回不小于给定值的第一个元素的迭代器。
ranges::upper_bound	C++20	返回第一个大于某个值的元素的迭代器。
ranges::binary_search	C++20	确定元素是否存在于部分排序的范围内。
ranges::equal_range	C++20	返回匹配特定键的元素范围。
ranges::merge	C++20	合并两个已排序的范围。
ranges::inplace_merge	C++20	原地合并两个有序范围。
ranges::includes	C++20	如果一个序列是另一个序列的子序列，则返回 true。
ranges::set_difference	C++20	计算两个集合之间的差集。
ranges::set_intersection	C++20	计算两个集合之间的交集。
ranges::set_symmetric_difference	C++20	计算两个集合之间的对称差集。
ranges::set_union	C++20	计算两个集合之间的并集。
ranges::is_heap	C++20	检查给定范围是否为最大堆。
ranges::is_heap_until	C++20	找到最大的堆的子范围。
ranges::make_heap	C++20	从范围内元素创建最大堆。
ranges::push_heap	C++20	向最大堆中添加元素。
ranges::pop_heap	C++20	从最大堆中移除最大的元素。
ranges::sort_heap	C++20	将最大堆转换为按升序排序的元素范围。
ranges::max	C++20	返回给定值中的较大者。
ranges::max_element	C++20	返回范围内的最大元素。
ranges::min	C++20	返回给定值中的较小者。
ranges::min_element	C++20	返回范围内的最小元素。
ranges::minmax	C++20	返回两个元素中的较小和较大的元素。
ranges::minmax_element	C++20	返回范围内的最小和最大元素。
ranges::clamp	C++20	将值限制在一对边界值之间。
ranges::is_permutation	C++20	确定一个序列是否是另一个序列的排列。
ranges::next_permutation	C++20	生成范围内元素的下一个更大字典序排列。
ranges::prev_permutation	C++20	生成范围内元素的下一个更小字典序排列。
ranges::iota	C++23	用起始值的连续递增填充范围。
ranges::fold_left	C++23	对范围元素进行左折叠。
ranges::fold_left_first	C++23	使用第一个元素作为初始值对范围元素进行左折叠。
ranges::fold_right	C++23	对范围元素进行右折叠。
ranges::fold_right_last	C++23	使用最后一个元素作为初始值对范围元素进行右折叠。
ranges::fold_left_with_iter	C++23	左折叠范围元素，并返回一个对（迭代器，值）。
ranges::fold_left_first_with_iter	C++23	使用第一个元素作为初始值进行左折叠，并返回一个对（迭代器，可选）。
ranges::uninitialized_copy	C++20	将一系列对象复制到未初始化的内存区域。
ranges::uninitialized_copy_n	C++20	将一定数量的对象复制到未初始化的内存区域。
ranges::uninitialized_fill	C++20	在未初始化的内存区域复制对象。
ranges::uninitialized_fill_n	C++20	在未初始化的内存区域复制对象，定义了开始和计数。
ranges::uninitialized_move	C++20	将一系列对象移动到未初始化的内存区域。
ranges::uninitialized_move_n	C++20	将一定数量的对象移动到未初始化的内存区域。
ranges::uninitialized_default_construct	C++20	在未初始化的内存区域通过默认初始化构造对象。
ranges::uninitialized_default_construct_n	C++20	在未初始化的内存区域通过默认初始化构造对象，定义了开始和计数。
ranges::uninitialized_value_construct	C++20	在未初始化的内存区域通过值初始化构造对象。
ranges::uninitialized_value_construct_n	C++20	在未初始化的内存区域通过值初始化构造对象，定义了开始和计数。
ranges::destroy	C++20	销毁一系列对象。
ranges::destroy_n	C++20	销毁范围内的一定数量的对象。
ranges::destroy_at	C++20	销毁给定地址的对象。
ranges::construct_at	C++20	在给定地址创建对象。
ranges::generate_random	C++26	用均匀随机位生成器填充范围。
ranges::in_fun_result	C++20	提供一种方法，将迭代器和函数对象作为一个单元存储。
ranges::in_in_result	C++20	提供一种方法，将两个迭代器作为一个单元存储。
ranges::in_out_result	C++20	提供一种方法，将两个迭代器作为一个单元存储。
ranges::in_in_out_result	C++20	提供一种方法，将三个迭代器作为一个单元存储。
ranges::in_out_out_result	C++20	提供一种方法，将三个迭代器作为一个单元存储。
ranges::min_max_result	C++20	提供一种方法，将两个相同类型的对象或引用作为一个单元存储。
ranges::in_found_result	C++20	提供一种方法，将迭代器和布尔标志作为一个单元存储。
ranges::in_value_result	C++23	提供一种方法，将迭代器和一个值作为一个单元存储。
ranges::out_value_result	C++23	提供一种方法，将迭代器和一个值作为一个单元存储。