引言上一章我们重点讨论了 C 传统函数式编程的困境介绍了 Ranges 的概念了解到 range 可以视为对传统容器的一种泛化都具备迭代器等接口。但与传统容器不同的是range 对象不一定直接拥有数据。在这种情况下range 对象就是一个视图view。这一讲我们来讨论一下视图它是 Ranges 中提出的又一个核心概念是 Ranges 真正解放函数式编程的重要驱动力项目的完整代码https://github.com/samblg/cpp20-plus-indepth。视图视图也叫范围视图range views它本质是一种轻量级对象用于间接表示一个可迭代的序列。Ranges 也为视图实现了视图的迭代器我们可以通过迭代器来访问视图。对于传统 STL 中大部分可接受迭代器参数的算法函数在 C20 中都针对视图和视图迭代器提供了重载版本比如 ranges::for_each 等函数这些算法函数在 C20 中叫做 Constraint Algorithm。那么 Ranges 库提供的视图有哪些呢我把视图类型和举例梳理了一张表格供你参考。所有的视图类型与函数都定义在 std::ranges::views 命名空间中标准库也为我们提供了 std::views 作为这个命名空间的一个别名所以实际开发时我们可以直接使用 std::views。后面是直接使用 std::views 的代码。后面我再解释 iota、take 的涵义你可以先忽略这个细节。#include ranges #include cstdint #include iostream int main() { for (int32_t i : std::views::iota(1) | std::views::take(4)) { std::cout i ; } return 0; }基础视图接口了解了视图概念还不够我们再聊聊 C 标准中基础接口的详细设计以及自定义实现方法。C Ranges 定义了一个标准接口 ranges::view_interface本质是一个抽象类。我们首先来看一下如何使用该类自定义自己的视图类。template class Element, size_t Size class ArrayView : public std::ranges::view_interfaceArrayViewElement, Size { public: using Container std::arrayElement, Size; ArrayView() default; ArrayView(const Container container) : _begin(container.cbegin()), _end(container.cend()) {} auto begin() const { return _begin; } auto end() const { return _end; } private: typename Container::const_iterator _begin; typename Container::const_iterator _end; };可以看到代码中定义了 ArrayView 类该类型表示 array 容器的视图。我们定义了三个成员函数。构造函数包含默认构造函数和通过 array 对象创建视图的构造函数。构造函数将 _begin 和 _end 初始化为 array 的 cbegin 和 cend。begin返回 _beginRanges 可以通过该函数获取 begin 迭代器。end返回 _endRanges 可以通过该函数获取 end 迭代器。这样我们就可以将其作为视图来使用你可以对照示例代码来理解。int main() { std::arrayint, 4 array { 1, 2, 3, 4 }; ArrayView arrayView { array }; for (auto v : arrayView) { std::cout v ; } std::cout std::endl; return 0; }在这段代码中创建 array 对象后创建视图由于视图类中定义了 begin 和 end 成员函数因此可以用 C 的 for 循环直接遍历这个视图。除此以外ranges::view_interface 中还定义了几个成员函数当视图类满足特定约束时基类会提供默认实现开发者必要时可以覆盖其实现具体可以参考后面这张表。从这里我们就可以看出视图的本质就是对一个可迭代序列的间接引用视图自身不存储数据只是引用了可迭代序列的一部分数据。虽然 Ranges 提供了视图的基础接口。但总体来说我们自己实现所有的视图接口可就太麻烦了。因此Ranges 提供了视图工厂和适配器为我们提供了便利的构造视图的方法——这是我们使用视图的主要方法。接下来我们就来仔细看一下视图工厂与适配器的细节。工厂视图工厂提供了一些常用的视图类以及基于这些视图类构建视图对象的工具函数。我们先来看一段代码感性地认识一下如何使用视图工厂。#include array #include ranges #include iostream #include sstream int main() { namespace ranges std::ranges; namespace views std::views; // iota_view与iota for (int32_t i : ranges::iota_view{ 0, 10 }) { std::cout i ; } std::cout std::endl; for (int32_t i : views::iota(1) | views::take(4)) { std::cout i ; } std::cout std::endl; // istream_view与istream std::istringstream textStream{ hello, world }; for (const std::string s : ranges::istream_viewstd::string{ textStream }) { std::cout Text: s std::endl; } std::istringstream numberStream{ 3 1 4 1 5 }; for (int n : views::istreamint32_t(numberStream)) { std::cout Number: n std::endl; } return 0; }在这段代码中我们使用了两个视图工厂——ranges::iota_view 和 ranges::istream_view。views::iota 是 ranges::iota_view 的工具函数有了它就能更方便地创建一个 iota_view 对象。调用 views::iota 时我们也使用了视图适配器 views::take(4) 创建一个新视图包含前一个视图的前 4 个元素。类似于 L | R 这种语法就是所谓的视图管道允许我们将多个视图连接在一起让分步的数据处理变得简洁优雅。另一个视图工厂是 ranges::istream_view作用是创建一个从输入流中不断读取数据的视图类。在遍历这个视图的时候视图会尝试从输入流中读取数据直到输入流结束为止。views::istream也就是 ranges::istream_view 的工具函数可以返回一个 istream_view 对象。由此可见使用视图工厂是非常简单的。后面表格里整理了 C20 中提供的所有工厂供你参考。除此之外还有一些在 C23 中提供的新视图工厂待后续讨论 C23 时我再介绍。适配器除了直接创建视图Ranges 还提供了一系列工具可以将一个或者多个视图转换成一个新的视图用来支持数据处理和运算工作。这些用视图作为参数的“工厂”就是视图适配器。比如说上一节中用到的 views::take 返回的就是类型为 take_view 的视图适配器对象。Ranges 也支持通过嵌套和组合的方式来使用视图适配器。后面的例子是一个典型的函数式编程案例。#include vector #include ranges #include iostream #include random #include algorithm int main() { namespace ranges std::ranges; namespace views std::views; std::random_device rd; std::mt19937 gen(rd()); std::uniform_int_distribution distrib(1, 10); // 步骤6输出 ranges::for_each( // 步骤5将键值对序列[(0,a1),(1,a2),...,(n, an)]转换为[0a1,1a2,...,nan]的求和序列 views::transform( // 步骤4选取结果键值对的至多前3个键值对不足3个则全部返回 views::take( // 步骤3从随机数键值对中筛选数值大于5的键值对 views::filter( // 步骤2生成随机数键值对序列[(0,a1),(1,a2),...,(n, an)] views::transform( // 步骤1生成序列[0,10) views::iota(0, 10), [distrib, gen](auto index) { return std::make_pair(index, distrib(gen)); } ), [](auto element) { return element.second 5; } ), 3 ), [](auto element) { return element.first element.second; } ), [](auto number) { std::cout number ; } ); std::cout std::endl; return 0; }这段代码是一个典型的函数式编程案例。你可以结合代码来理解这几个步骤。第一步使用 views::iota 生成一个[0,10) 的等差序列相当于一个 range。第二步使用 views::transform 为等差序列中的每一个数生成一个随机数返回一个由随机数键值对组成的序列序列形式为[(0,a1),(1,a2),…,(n, an)]。第三步使用 views::filter 从随机数键值对序列中筛选所有随机数大于 5 的键值对生成一个新的序列。第四步使用 views::take 从 filter 输出的键值对序列中选取前 3 个键值对如果 filter 输出的数量不足 3 个则返回所有元素也就是这里肯定不会产生越界。第五步使用 views::transform 将 take 返回的键值对序列[(0,a1),(1,a2),…,(n, an)]转换为[0a1,1a2,…,nan]的求和序列。第六步使用 views::for_each 输出结果。我们可以看出整段代码是用嵌套函数的形式编写的而且在 transform、filter 和 for_each 中都使用了 Lambda 表达式作为高阶函数。这段编码已经非常简洁了除了部分 C 无法避免的语法特性可读性堪比其他函数式编程语言。不过如果你还不熟悉函数式编程那么看到这种深度的括号嵌套应该会感到非常头痛。对此我跟你说一个有关 Lisp 的地狱笑话。某个程序员偷到了一个系统代码的最后一页结果发现那一页上全部都是右括号。或许你现在应该理解了这个笑话的梗在哪里。如果我们要用传统 STL 算法来实现这个函数式编程的过程大概情况会是这样的。#include vector #include iostream #include random #include algorithm #include numeric int main() { std::random_device rd; std::mt19937 gen(rd()); std::uniform_int_distribution distrib(1, 10); std::vectorint rangeNumbers(10, 0); std::iota(rangeNumbers.begin(), rangeNumbers.end(), 0); std::vectorstd::pairint, int rangePairs; std::transform(rangeNumbers.begin(), rangeNumbers.end(), std::back_inserter(rangePairs), [distrib, gen](int index) { return std::make_pair(index, distrib(gen)); }); std::vectorstd::pairint, int filteredPairs; std::copy_if(rangePairs.begin(), rangePairs.end(), std::back_inserter(filteredPairs), [](const auto element) { return element.second 5; }); std::vectorstd::pairint, int leadingPairs; std::copy_n(filteredPairs.begin(), 3, std::back_inserter(leadingPairs)); std::vectorint resultNumbers; std::transform(leadingPairs.begin(), leadingPairs.end(), std::back_inserter(resultNumbers), [](const auto element) { return element.first element.second; }); std::for_each(resultNumbers.begin(), resultNumbers.end(), [](int number) { std::cout number ; }); return 0; }由于传统算法为了通用性所以算法函数的输入都是迭代器我们也就不得不创建大量的临时变量存储中间结果。有了对比我们可以直观感受到相比采用视图的方法传统 STL 算法写的代码可读性就差了很多而且也没有提供越界检查功能。除了上述案例中用到的适配器Ranges 还提供了大量的适配器。如果你感兴趣的话可以查一下 头文件的文档进一步了解所有的适配器。视图管道在实际编码时虽然有适配器的帮助但是大量的函数嵌套还是非常影响代码可读性。为此C 还提供了视图管道pipeline来帮助我们更好地组织代码。比如前面的代码就还有改进空间我们可以修改成后面这样。#include vector #include ranges #include iostream #include random #include algorithm int main() { namespace ranges std::ranges; namespace views std::views; std::random_device rd; std::mt19937 gen(rd()); std::uniform_int_distribution distrib(1, 10); ranges::for_each( views::iota(0, 10) | views::transform([distrib, gen](int index) { return std::make_pair(index, distrib(gen)); }) | views::filter([](const auto element) { return element.second 5; }) | views::take(3) | views::transform([](const auto element) { return element.first element.second; }), [](int number) { std::cout number ; } ); std::cout std::endl; return 0; }这个代码中除了 ranges::for_each 属于算法函数其他的嵌套视图都修改成了通过|这个视图管道操作符连接的形式。比如原本代码中的 transform(iota(), fn)我们可以修改成 iota() | transform(fn) 这种形式。所谓的视图管道依赖于 Range 适配器对象range adaptor object这个概念。简单来说Range 适配器对象需要重载 operator() 操作符并且满足后面这三个条件。参数列表为 (R, …args)。第一个参数是另一个 Range 适配器对象 R。可以存在后续参数…args也可以不存在后续参数。也就是说Range 适配器对象必定是一个仿函数functor。由于第一个参数可以接收另一个适配器对象因此我们可以像上一节中那样实现视图适配器的嵌套。那么视图管道又是怎么实现的呢首先Range 适配器对象中有一个特例就是如果后续参数…args 不存在时我们就把这种适配器对象叫做 range 适配器闭包对象range adaptor closure object。假设有一个适配器闭包对象 C其参数列表只有一个参数 R并且 R 也是一个适配器对象那么我们可以这样将两者嵌套调用。C(R)这时C Ranges 就提供了视图管道让我们可以将这种函数调用写成R | C所以视图管道本质上就是一个对 “range 适配器闭包对象函数调用”的语法糖。那么普通的 Range 适配器对象如何转换成闭包对象呢很简单只需要将除了第一个参数的后续参数…args 通过 binding 绑定上固定的参数生成只有一个参数的偏函数就可以了。此外视图管道还可以复合使用假设 R、C 和 D 都是 range 适配器闭包对象我们就可以写成这样。R | C | D (R | C) | D D(C(R))这三者是完全等价的。所以可以看出 | 管道操作符的结合方向是自左向右结合。如果想要改变结合性我们可以使用括号后面这种形式代码就是等价的。R | (C | D) D(C)(R)这样一来通过视图管道和视图适配器我们就能组织出 C 中非常优雅的函数式代码了。需要额外说明的是C20 中暂时只能使用标准库中定义的视图类型我们自己哪怕实现了满足 range 适配器闭包对象的接口也无法在视图管道中使用用户自定义的适配器闭包对象类型在 C23 中才会得到支持。不过现阶段我们也有变通的方法可以将自定义的类型组合到视图管道中我们将会在下一讲中具体讨论。总结通过两章的内容我们一起了解了 Ranges 的来龙去脉。这一讲我们学习了 Ranges 的另一个重要概念——视图我们通过它来间接引用特定范围的数据而非拥有数据。在视图的基础上通过视图工厂、视图适配器和视图管道我们可以让复杂的数据处理变得简洁优雅。我们还讨论了 range 适配器闭包对象这种对象只需要满足后面三个条件中的一个。1. 只有一个参数参数类型为 Range 适配器对象。2. 将另一个 range 适配器对象的后续参数…args 绑定固定参数后生成的仿函数functor。3. 使用视图管道操作符 | 连接两个 range 适配器闭包对象后返回的对象。