C++20 Ranges 完全指南：懒惰计算、链式操作与函数式编程范式

在本篇文章中，我们将深入介绍 C++20 引入的 ranges 库，包括 std::ranges 算法、std::views 视图、链式组合技巧、容器转换等高级技巧，助你掌握这一现代 C++ 中的函数式利器。

什么是 Ranges？

传统的 C++ STL 算法，如 std::sort、std::copy 等，通常需要传入 begin() 与 end()。而 ranges 则基于“范围对象”操作容器，具备以下优势：

更简洁：支持直接传容器。
可组合：支持管道操作 | 实现链式风格。
惰性计算：views 不立即生成结果，节省资源。
函数式编程风格：更接近 Python、Rust 等现代语言的风格。

基础使用：`ranges` 算法

C++20 在 <algorithm> 中添加了 ranges 版本的 STL 算法（位于 std::ranges:: 命名空间中）：

 1#include <vector>
 2#include <ranges>
 3#include <algorithm>
 4#include <iostream>
 5
 6int main() {
 7    std::vector<int> v{5, 1, 3, 2};
 8
 9    std::ranges::sort(v);  // 排序
10    std::ranges::for_each(v, [](int x){ std::cout << x << " "; });  // 输出：1 2 3 5
11}

几乎所有常用算法都存在 ranges 版本：sort、find、copy、for_each、unique、remove 等。

Views：懒惰计算视图

std::views 提供一系列可组合的“视图”操作，它们不会立即计算结果，而是在访问元素时才执行。

常见视图（`std::views::`）：

视图	功能说明
`filter`	过滤元素
`transform`	元素映射（变换）
`take(n)`	取前 n 个元素
`drop(n)`	跳过前 n 个元素
`reverse`	反转序列
`iota(a, b)`	类似 Python 的 `range(a, b)`

1std::vector<int> v{1, 2, 3, 4, 5, 6};
2
3auto r = v 
4    | std::views::filter([](int x){ return x % 2 == 0; })
5    | std::views::transform([](int x){ return x * x; });
6
7for (int x : r) std::cout << x << " ";  // 输出：4 16 36

链式组合与管道操作符

使用 | 管道符可以组合多个 views 操作，形成惰性计算的管道链，避免中间变量：

1auto r = vec
2    | std::views::filter(...)
3    | std::views::transform(...)
4    | std::views::take(10);

这种方式不仅可读性强，还能高效处理大规模数据。

常见视图与范例

🎯 `views::filter`

1auto even = vec | std::views::filter([](int x){ return x % 2 == 0; });

🔁 `views::transform`

1auto square = vec | std::views::transform([](int x){ return x * x; });

➕ 链式组合示例

1auto result = vec
2    | std::views::filter([](int x){ return x > 3; })
3    | std::views::transform([](int x){ return x * 10; })
4    | std::views::take(3);

🔢 `views::iota`

1for (int x : std::views::iota(1, 6)) {
2    std::cout << x << " ";  // 1 2 3 4 5
3}

结果转换为容器

因为 views 是惰性序列，若需要结果容器（如 vector），可以手动转换：

✅ C++20 写法

1std::vector<int> out(r.begin(), r.end());

✅ C++23 更方便：

1auto out = r | std::ranges::to<std::vector>();

若使用 C++20，可以自己写一个 to_vector() 工具函数进行转换。

完整案例演示

示例：提取偶数并平方，保存为 `std::vector`

 1#include <vector>
 2#include <ranges>
 3#include <iostream>
 4
 5int main() {
 6    std::vector<int> data{1,2,3,4,5,6,7,8};
 7
 8    auto r = data
 9        | std::views::filter([](int x){ return x % 2 == 0; })
10        | std::views::transform([](int x){ return x * x; });
11
12    std::vector<int> result(r.begin(), r.end());  // 结果为 {4, 16, 36, 64}
13
14    for (int x : result) std::cout << x << " ";
15}

拓展库推荐

如果你想使用更多 views（如 zip, enumerate, chunk），推荐以下库：

range-v3：C++20 ranges 的鼻祖，支持更多视图操作。
cppcoro：提供协程风格的 ranges。

总结

特性	说明
`ranges::` 算法	替代传统 STL 算法，支持容器直接传参
`views::` 视图	支持懒惰链式处理，性能更优
管道 `	` 操作
容器转换	可通过迭代器或 `ranges::to` 转换为 vector 等

最后修改于 2025-07-08 18:57