首页 > 其他分享 >STL库的ranges

STL库的ranges

时间:2024-06-01 22:55:15浏览次数:22  
标签:std views STL 视图 ranges range 范围

STL库的ranges

在C++ STL标准库的<ranges>(C++20中引入)中,定义了一套全面的关于范围的概念、类、模板、函数以及其他相关组件,旨在提高对元素序列的抽象化处理能力。主要包括以下几个方面:

  1. 范围(Range):定义了一系列标准要求,规定了怎样的对象可被视为一个范围。
  2. 视图(Views):提供了一系列轻量级、不可变且延迟计算的类模板及相关工具函数。
  3. 范围友好算法(Range-Algorithms):对传统STL库的算法进行了升级和扩展,使其可以直接作用于范围对象,并能充分利用视图的特性,提高了算法的灵活性和效率。
  4. 辅助工具:一些工具函数,使得对范围的操作更为便捷。

范围(ranges)

范围(Range)是一个可以被迭代(遍历)的对象,它可以是标准容器(如vector、list)、原生数组、字符串或者任何能够提供迭代器接口的数据结构。在Ranges中,一个范围不仅仅包括元素序列,还定义了如何访问这些元素的规则。它指向一系列元素,从概念上看类似于一对begin与end迭代器。

范围概念

范围由概念(concept)定义。概念(concept)是C++语言的一个核心特性,它正式引入于C++20标准。与类定义不同,概念定义描述了一组行为特征,而不用关心具体的类型。这意味着只要一个对象具有期望的行为(如特定的成员变量或方法,或者让作为参数能让某段代码编译通过),就可以在代码中当作符合某种约定的对象来处理,而无需关心对象的确切类型。

引入范围概念,让处理序列数据的代码与承载序列数据的具体容器实现无关,两者解耦。这也是“鸭子类型”的编程范式。

concept代表的编程范式也被称为鸭子类型(Duck Typing),这个概念源自一句俗语:“如果它走路像鸭子、叫声像鸭子,那么它就是鸭子。” 动态类型语言中广泛使用鸭子类型编程范式,例如Ruby、Python。而在静态类型语言C++中,通过引入Concept机制,也巧妙借鉴了这一灵活处理对象特性的方法论。

STL的<ranges>定义了std::ranges::range概念(concept),凡是符合range概念的对象都可以被当作范围对象。从代码定义上看,凡是能从中得到begin和end两个迭代器的对象都可以看作范围。如下代码所示:

std::ranges::range代码定义

template< class T >
concept range = requires( T& t ) {
  ranges::begin(t); // equality-preserving for forward iterators
  ranges::end  (t);
};

范围是个大范畴,除了std::ranges::range定义了基本的范围概念外,<ranges>命名空间里还定义了特殊的范围概念,形成一个类似于类继承的树形关系结构。根据支持迭代器的不同,一部分范围概念定义可以组成这样的树形结构。

range
|- view
|- common_range
|- sized_range
|- output_range
|- input_range
    |- forward_range
        |- bidirectional_range
            |- random_access_range
                |- contiguous_range
    

sized_range为例,这个概念定义 “符合range概念并可以作为参数执行size(x)” 的东西均属于此概念。

    _EXPORT_STD template <class _Rng>
    concept sized_range = range<_Rng> && requires(_Rng& __r) { _RANGES size(__r); };

借用范围 borrowed range

借用范围是一种比较重要的概念,是指不会因为迭代而被消耗的数据序列,例如引用原始数据的视图或者引用类型的容器。借用范围生命周期结束后,其迭代器仍然有效。

概念borrowed_range判断一个类型是否为借用范围(borrowed range),定义如下:

template<class _Range>
concept borrowed_range = range<_Range> &&
(is_lvalue_reference_v<_Range> || enable_borrowed_range<remove_cvref_t<_Range>>);

// 由模板特化指定为true。
template <class>
inline constexpr bool enable_borrowed_range = false;

如果要创建一个符合borrowed_range概念的类,首先这个类型要满足range概念的要求,其次需要特化enable_borrowed_range以满足enable_borrowed_range的要求。

视图(views)

视图(views)是一种轻量级的范围,它不会存储元素,而是对其他范围进行变换、过滤等操作的结果。视图是惰性求值的,这意味着操作直到真正需要结果时才会执行,这有助于提升效率。视图能够对范围对象进行各种转换、筛选和聚合等运算,有以下特点:

  1. 不拥有数据
    与数据的拥有权解耦,即视图处理数据但不拥有数据,因此不必管资源的申请和释放,同时也不会修改底层数据。

  2. 不复制数据

    通常不需要在内存中分配新的数据结构,而是通过引用或转换现有的数据进行操作,这意味着运算中通常产生较少的的额外开销。

  3. 惰性计算(Lazy Evaluation)
    惰性计算就是“按需计算”,即它们只在需要时才会执行。这意味着,当你创建一个视图时,不会立即对底层数据进行任何计算,只有在实际使用时才会触发计算。这种延迟计算的特性可以节省内存和计算资源,尤其是在处理大型数据集的场景中。

  4. 函数式编程与链式风格
    视图本身符合范围概念的要求,因此一个视图可以作为另一个视图的输入,且基于视图的函数性、不可变性和无副作用性,这样就支持了函数式编程范式。辅以管道运算符“|”,可以实现漂亮的链式编程风格。

常用视图

关于视图相关的内容定义在std::ranges::views名字空间中,包含但不限于以下内容:

  1. filter:创建一个仅包含符合特定条件的元素的视图。
  2. transform:对每个元素应用给定的转换函数,并生成一个新的视图。
  3. take:创建一个包含指定数量元素的视图。
  4. drop:创建一个去除指定数量元素后的视图。
  5. split:将范围分割成指定大小的子范围序列。
  6. reverse:反转范围中的元素顺序。
  7. join:将范围的范围中的子范围连接成单个范围。
  8. elements:从范围中的元组中选择指定索引的元素,并将其表示为一个范围。

std::views是对std::ranges::views的简写,它是通过一个命名空间别名实现的,旨在简化代码的书写。

namespace views = ranges::views;

管道运算符

视图的使用最好配合管道运算符。管道运算符就是位或运算符|的重定义,用法就像Unix的管道命令,可以将视图像管道一样连接起来,实现类似于Java Stream API的流式数据处理管道。

下面是一个简单的例子:

#include <iostream>
#include <ranges>
#include <vector>

int main() {
    // 创建一个整数向量
    std::vector<int> numbers = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 };

    // 使用std::views::filter过滤出所有偶数,将其值增加一倍,再取前三个值。
    auto result_view = numbers
        | std::views::filter([](int i) { return i % 2 == 0; })
        | std::views::transform([](int i) { return i * 2; })
        | std::views::take(3);
    for (int number : result_view) {
        std::cout << number << ' ';
    }
    return 0;
}

注意std::views::take(3)意味着只取前三个结果,因为视图是惰性计算的,因此程序并不会处理numbers的所有元素。并且整个处理过程看不到中间变量,也没有构建用于存放中间结果的容器。此处可以看到视图的非常明显的价值:

  • 节约内存和计算资源
  • 代码风格清晰紧凑,可读性强
  • 几乎没有副作用
  • 产生bug的几率少

范围适配器

视图也被称为“范围适配器”(Range adapters),就像电源适配器(例如交流转直流,220V转110V)一样,它们是作用在范围之上的对其数据做转换的“适配器”,通过提供动态的、可组合的数据处理管道,使得C++程序员能够以声明式、函数式的方式处理数据,而无需关注底层实现细节,从而极大地增强了代码的表达力和效率。

范围友好算法

引入ranges之后,STL中的很多算法(原先algorithm模块中的函数)被改写并放到了std::ranges命名空间中(为了兼容性跟原先的std命名空间中的算法函数并存),这些新的算法接受一个range作为参数,而不是原来的begin和end两个参数,例如std::ranges::sort(range)。

以下是常用的一些范围友好算法:

  • 条件判断
    • ranges::all_of
    • ranges::any_of
    • ranges::none_of
  • 遍历处理
    • ranges::for_each & ranges::for_each_n
  • 转换
    • ranges::transform
    • ranges::reverse
  • 生成
    • ranges::fill
    • ranges::generate
    • ranges::iota
  • 查找比较
    • ranges::count & ranges::count_if
    • ranges::find & ranges::find_if
    • ranges::starts_with & ranges::ends_with
    • ranges::contains
    • ranges::search
  • 复制搬运
    • ranges::copy & ranges::copy_if
    • ranges::move
  • 排序和半排序
    • ranges::is_sorted
    • ranges::sort & ranges::stable_sort
    • ranges::partial_sort & ranges::nth_element
  • 分区
    • ranges::is_partition & ranges::partition
  • 二分查找
    • ranges::lower_bound & ranges::upper_bound
    • ranges::binary_search
  • 集合运算 - 提供集合数据结构相关的操作
    • ranges::merge
    • ranges::include
    • ranges::set_difference & ranges::set_intersection & ranges::set_union 集合的求差集、交集、并集运算
  • 堆运算 - 提供堆数据结构相关的操作
    • ranges::is_heap & ranges::make_heap
    • ranges::push_heap & ranges::pop_heap & ranges::sort_heap 入队、出堆与堆排序

心得体会

C++引入了概念concept,提供了更高层级的抽象,<ranges>是基于概念的,把抽象推广至广泛的场景。基于range的算法有更好的通用型。程序员使用自己专门设计的容器(可能是为了自己特定应用场景而做了特别的优化)与ranges互动,复用ranges提供的内容,减少自己的工作量。

std::ranges::views和管道运算符提供了一种现代化的、更加直观的方式来处理序列操作,使代码更简洁易读。

总之,使用<ranges>可以让代码更加现代化、简洁和高效,提高开发效率并减少错误的可能性。

标签:std,views,STL,视图,ranges,range,范围
From: https://www.cnblogs.com/chengxin1985/p/18226526

相关文章

  • 【C++进阶】深入STL之string:掌握高效字符串处理的关键
    ......
  • C++常用STL容器
    备注:文中图片来自hackingcpp.vectorvector是C++中最常用的容器,它可以动态改变自身大小。dequelist(双向链表)forward_list(单向链表)unordered_setsetunordered_mapmap......
  • STL两级空间适配器
    为什么需要两级空间适配器?因为我们如果频繁的再堆上面申请内存释放内存,就会在堆上面造成很多的外部碎片,造成空间浪费,每次都要调用malloc、free函数,降低空间利用率。一级空间适配器:当申请内存>128bytes的时候就用一级空间适配器。(malloc、free、realloc等方法)二级空间适配器:当......
  • RC-u2-2023【STL-string】
    Raicom-2023省赛题目~题意:A:最近出了一个饮料营养等级你们知道吗?例如无糖的饮料是A级,可乐是D级……B:那……无糖可乐是什么级别?C:AD级吧。A:出院!B:出什么院,你也给我进去!以上是某群中一段有趣的对话。请你按照里面的逻辑,在已知某些饮料的等级的情况下,给饮料定级。定级的......
  • 【C++/STL】vector(常见接口、模拟实现、迭代器失效)
     ......
  • 【知识点】深入浅出STL标准模板库
    前几天谈论了许多关于数论和数据结构的东西,这些内容可能对初学者而言比较晦涩难懂(毕竟是属于初高等算法/数据结构的范畴了)。今天打算来讲一些简单的内容-STL标准模板库。STL标准模板库C++标准模板库(StandardTemplateLibrary,STL),是C++语言非常重要的一个构成部分......
  • C++ STL 函数对象:隐藏的陷阱,如何避免状态带来的麻烦?
    STL函数对象:无状态即无压力一、简介二、函数对象三、避免在函数对象中保存状态3.1、函数对象3.2、lambda表达式四、选择合适的更高层次的结构五、总结一、简介在使用C++标准模板库(STL)时,函数对象(FunctionObject)是一种强大的工具,它可以帮助你编写更具表......
  • AcWing 3466. 清点代码库(STL:map,vector)
    3466.清点代码库需要求有几种不同数列,每种有多少个,可以想到用map。它的键是一个数列,可以把它放在vector里。也就是map<vector<int>,int>要满足要求的输出序列,就要想把它放在其他容器,或数组里,进行排序。因为map不能自定义排序,而且既要对值排序,还要对键排序。我起初是定......
  • C++初阶学习第九弹——探索STL奥秘(四)——vector的深层挖掘和模拟实现
    string(上):C++初阶学习第六弹——探索STL奥秘(一)——标准库中的string类-CSDN博客string(下):C++初阶学习第七弹——探索STL奥秘(二)——string的模拟实现-CSDN博客vector(上):C++初阶学习第八弹——探索STL奥秘(三)——深入刨析vector的使用-CSDN博客前言:在前面我们已经学习了string的......
  • 第17章 STL动态数组类
    1std::vector的特点vector是一个模板类,提供了动态数组的通用功能:在数组尾部插入元素时间是固定的在数组中间添加或删除元素所需时间与改元素后面的元素个数成正比存储的元素数是动态的,vector类负责管理内存vector是一种动态数组,结构体如下:2vector操作2.1实例化vector......