范围：C++ 代码的优雅进化，告别迭代器，拥抱更简洁的未来！

一、简介

C++ 标准模板库 (STL) 是一个非常棒的工具，可以使代码更正确、更具表现力。它主要由两部分组成：

• 容器： 例如 std::vector 或 std::map。
• 算法： 一组相当庞大的通用函数，它们可以在容器上操作。这些算法主要位于 algorithm 头文件中。

许多使用 for 循环对容器进行的手动操作都可以用调用 STL 算法来代替。这样做可以使代码更清晰，因为无需费力解析复杂的 for 循环，就能立即理解代码的含义，因为那些令人头疼的 for 循环已经被明确的名称所取代，例如 std::copy、std::partition 或 std::rotate。

但是，STL 仍然存在一些可以改进的地方。这篇文章将重点关注其中的两个方面：

• 迭代器： 所有算法都操作指向它们所操作的集合的迭代器。虽然这在某些特定情况下很有用，比如在容器中的某个特定点停止，但大多数情况下，需要遍历整个容器，从它的 .begin() 到 .end()。

  std::copy(v1.begin(), v1.end(), std::back_inserter(v2));
  std::set_difference(v2.begin(), v2.end(), v3.begin(), v3.end(), std::back_inserter(v4));
  std::transform(v3.begin(), v3.end(), std::back_inserter(v4));
  

  （注意：上面使用的 std::back_inserter 是一个输出迭代器，它每次被赋值时都会在它所传递的容器中执行 push_back 操作。这免去了程序员对输出容器进行大小调整的麻烦。）

• 算法组合性： 使用 STL 的 C++ 开发人员经常需要对满足某个谓词的集合元素应用某个函数。对集合 input 中的所有元素应用函数 f 并将结果放入向量 output 中，可以使用 std::transform 实现：

  std::transform(input.begin(), input.end(), std::back_inserter(output), f);
  

  而根据谓词 p 过滤元素可以使用 std::copy_if 实现：

  std::copy_if(input.begin(), input.end(), std::back_inserter(output), p);
  

  但是，没有简单的方法可以将这两个调用组合起来，而且没有像“transform_if”这样的算法。

范围 提供了一种不同的 STL 使用方法，可以以非常优雅的方式解决这两个问题。范围最初是在 Boost 中引入的，现在正在走向标准化。

二、范围的概念

这一切的核心是 范围 的概念。本质上，范围是可以遍历的东西。更准确地说，范围是具有 begin() 和 end() 方法的东西，这些方法返回对象（迭代器），这些对象允许你遍历范围（即，沿着范围的元素移动，并解引用以访问这些元素）。

用伪代码表示，范围应该符合以下接口：

Range
{
    begin()
    end()
}

这代表着所有 STL 容器本身都是范围。

在范围概念被定义之前，使用 STL 的代码已经以某种方式使用了范围，但很笨拙。正如这篇文章开头所见，它们是直接用两个迭代器（通常是 begin 和 end）来操作的。然而，使用范围，通常不会看到迭代器。它们仍然存在，但被范围的概念抽象掉了。

这一点很重要。迭代器是技术性的构造，允许遍历集合，但它们通常对功能代码来说过于技术性。大多数情况下，真正想表示的是范围，它更符合代码的抽象级别。就像现金流范围、屏幕上的行范围或来自数据库的条目范围。

因此，以范围为单位进行编码是一个巨大的进步，因为从这个意义上说，迭代器违反了尊重抽象级别的原则，这是设计良好代码最重要的原则。

在范围库中，STL 算法被重新定义为直接接受范围作为参数，而不是两个迭代器，例如：

ranges::transform(input, std::back_inserter(output), f);

与之相对的是：

std::transform(input.begin(), input.end(), std::back_inserter(output), f);

这些算法在实现中重用了 STL 版本，通过将范围的 begin 和 end 传递给原生 STL 版本。

三、智能迭代器

尽管范围将它们抽象掉了，但范围遍历仍然是通过迭代器实现的。范围的全部威力来自于它与 智能迭代器 的结合。一般来说，集合的迭代器有两个职责：

• 沿着集合的元素移动（++、-- 等）
• 访问集合的元素（*、->）

例如，向量迭代器就是这样做的。但是，起源于 boost 的“智能”迭代器会自定义其中一个或两个行为。例如：

• transform_iterator 使用另一个迭代器 it 和一个函数（或函数对象）f 构造，并自定义它访问元素的方式：当解引用时，transform_iterator 将 f 应用于 *it 并返回结果。
• filter_iterator 使用另一个迭代器 it 和一个谓词 p 构造。它自定义了它的移动方式：当 filter_iterator 前进一个位置（++）时，它会前进其底层迭代器 it，直到它到达满足谓词的元素或集合的末尾。

四、结合范围和智能迭代器：范围适配器

范围的全部威力来自于它们与智能迭代器的结合。这是通过 范围适配器 实现的。

范围适配器是一个可以与范围结合以生成新范围的对象。它们的一部分是 视图适配器：使用它们，初始的适配范围保持不变，而生成的范围不包含元素，因为它只是对初始范围的视图，但具有自定义的迭代行为。

为了说明这一点，以 view::transform 适配器为例。这个适配器用一个函数初始化，可以与范围结合以生成一个对它的视图，该视图具有在该范围内使用 transform_iterator 的迭代行为。范围适配器可以使用 | 运算符与范围结合，这使得它们具有优雅的语法。

对于以下数字集合：

std::vector numbers = { 1, 2, 3, 4, 5 };

范围

auto range = numbers | view::transform(multiplyBy2);

是对向量 numbers 的一个视图，它具有使用函数 multiplyBy2 的 transform_iterator 的迭代行为。因此，当遍历这个视图时，得到的结果都是这些数字，乘以 2。例如：

ranges::accumulate(numbers | view::transform(multiplyBy2), 0);

返回 1*2 + 2*2 + 3*2 + 4*2 + 5*2 = 30（类似于 std::accumulate，ranges::accumulate 对它所传递的范围的元素进行求和）。

还有很多其他的范围适配器。例如，view::filter 接受一个谓词，可以与范围结合以构建一个对它的视图，该视图具有 filter_iterator 的行为：

ranges::accumulate(numbers | view::filter(isEven), 0);

返回 2 + 4 = 6。

需要注意的是，由与范围适配器关联而产生的范围，尽管它们只是对它们所适配的范围的视图，并且实际上不存储元素，但它们符合范围接口（begin、end），因此它们本身就是范围。因此，适配器可以适配适配范围，并且可以有效地以以下方式组合：

ranges::accumulate(numbers | view::filter(isEven) | view::transform(multiplyBy2), 0);

返回 2*2 + 4*2 = 12。这为最初无法组合算法的问题提供了解决方案。

五、总结

范围提高了使用 STL 的代码的抽象级别，因此清除了使用 STL 的代码中多余的迭代器。范围适配器是一个非常强大且具有表现力的工具，可以以模块化的方式对集合的元素应用操作。

范围是 STL 的未来。要了解更多信息，可以查看 Boost 中的初始范围库。