C++20 Range特性详解：简化集合操作的利器
C++20 Range特性详解：简化集合操作的利器
C++20引入的Range特性为集合操作带来了革命性的变化。它不仅简化了算法的编写，还提供了强大的投影和视图功能，使得代码更加简洁易读。本文将详细介绍Range的概念、使用方法及其在实际开发中的应用。
一、Range的目的
在C++20中，Range概念要求一个对象同时拥有迭代器和结束哨兵。这在标准集合的上下文中非常有用，特别是在开发针对集合的操作算法（例如模板函数）时。
假设有一个想要排序的值向量：
std::vector<int> values = {10, 20, 15, 35, 5};
可以使用std::sort()函数来排序：
std::sort(values.begin(), values.end());
注意，需要传递两个参数，分别是迭代器values.begin()和values.end()。如果能够直接将集合传递给排序函数，那就太好了。
在C++20中，std::ranges命名空间使得这成为可能。因此，可以这样写：
std::ranges::sort(values);
为了实现这一点，ranges::sort()函数需要使用模板约束，即：
- 对象拥有一个返回迭代器的
begin()方法 - 对象拥有一个返回结束哨兵的
end()方法
只要满足这两个要求，算法就能正常工作，而实现无需知道实际集合是vector、list还是其他类型。
这些要求由std::ranges::rangeconcept形式化，该概念在C++20范围库中定义。
二、在模板函数中使用Range概念
如何使用Range概念来开发自己的算法：
#include <ranges>
template <typename T>
requires std::ranges::range<T>
void mySort(T x)
{
// 为了演示，我们只是包装了旧的STL算法。
std::sort(x.begin(), x.end());
}
然后，只需用一个参数调用mySort()函数：
mySort(values);
三、投影
对对象数组进行排序的问题。以下表示学生考试成绩的类：
class Result
{
public:
int studentId;
int score;
};
不能简单地调用std::ranges::sort()，因为Result类没有定义<运算符。此外，需要告诉排序函数这里是想按studentId还是按score排序。
新的std::ranges库允许指定一个自定义比较器作为可选的第二个参数，例如：
std::ranges::sort(results,
[](const Result& x, const Result& y){return x.score < y.score;});
在C++20中，可以通过利用std::ranges::sort()函数支持投影的事实来进一步简化。这允许指定一个一元函数，用来转换集合中的每个元素：
std::ranges::sort(
results,
std::ranges::less{},
[](const Result& x){return x.score;});
这里，第三个参数是投影，它将每个Result对象转换为其整数score值。
需要在第二个参数中提供一个比较器，但由于我们已将元素“投影”到整数，因此可以使用内置的std::ranges::less比较器。
更棒的是，由于投影的默认模板类型是std::ranges::less，可以为第三个参数写{}来表示想要使用默认构造函数。因此，代码变为：
std::ranges::sort(
results, {},
[](const Result& x){return x.score;});
可以使用“指向成员的指针”语法进一步简化：
std::ranges::sort(results, {},
&Result::score);
四、视图
视图是范围适配器。因此，可以过滤范围中的元素，或对每个元素应用转换。所有这一切都在不需要分配任何新对象或复制集合的情况下完成。视图的结果本身就是一个范围，因此视图可以链接在一起，或随后传递到范围库中的任何算法。
例如，如果有一个向量vec，可以删除范围中的第一个元素：
std::views::drop(vec, 1);
可以反转元素：
std::views::reverse(vec);
可以使用管道符号将范围适配器链接在一起：
vec | std::views::reverse | std::views::drop(1);
可以使用过滤器来选择仅包含偶数元素的范围：
vec | std::views::filter(
[](auto i) { return 0 == i % 2; });
视图的强大之处在于它们允许延迟求值。
五、结论
Range为处理集合提供了急需的功能。它们为语法和可读性带来了重大改进。Range是C++20概念实际应用的绝佳示例。