C++ 20 Ranges

Ranges 這個函示庫主要的 header 檔案是 <ranges>，只要 include 它就可以使用；目前 g++ 10 和 Visual Studio 2019 都有支援。

而在 C++20 的 Ranges 裡面，其實 range 是一種概念（concept），實際上也有很多細緻的定義；實際上拿來操作的主要會是 view。

一個使用 C++20 Ranges 的程式大概長怎樣呢？下面是一個簡單的例子：

#include <iostream>
#include <ranges>
int main()
{
  int aData[] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 };
  auto myView = aData | std::views::filter([](int v) {return v % 2; })
                      | std::views::transform([](int v) {return v * v; });

  for (auto v : myView )
    std::cout << v << "n";
}

在上面的例子裡面，在做的事情就是「找出 aData 這個陣列裡面的奇數、然後平方後輸出」。他的執行結果是：

1
9
25
49

在細節的部分，這邊是透過「|」這個運算子，透過 std::views::filter 將 aData 包裝成一個只有奇數的 view；然後，由於「|」這個運算子是設計成可以串接的，所以上面的例子是再透過 std::view::transform 把這個 view 打包成一個平方的 view、也就是最後的結果 myView（型別是對應 transform 的 std::ranges::transform_view）。

而像 filter 和 transform，就是 ranges 提供的「range adaptors」了。

而除了透過實際上，他也可以寫成建構子的形式，像下面兩行其實就是一樣的意義。

auto v1 = aData | std::views::filter([](int v) {return v % 2; });
auto v2 = std::views::filter(aData, [](int v) {return v % 2; });

實際上，他的計算的部分和下面的程式很像：

std::vector<int> vRes;
for (auto v : aData)
{
  if (v % 2)
    vRes.push_back(v * v);
}

使用 ranges 感覺好像變得更複雜了？這邊只是隨便舉例，所以就不要在乎這小問題了。 :p

實際上，使用 ranges 時的狀況還是有點不同的。

Ranges 的各種 view 的一個很大的特色，就是 view 本身不包含資料、也不會在建立時就去做資料的處理；真正的處理是會等到實際要去存取時、才會進行的。

也就是說，除了在資料量很大的時候，view 不會額外占用記憶體外（上面的 vRes 就會占用大量記憶體），技術上也是可以先將 view 建立出來，然後再去填資料。例如：

std::vector<int> vData;
auto myView = vData | std::views::filter([](int v) {return v % 2; })
                    | std::views::transform([](int v) {return v * v; });
vData = { 1,2,3,4,5,6,7 };
for (auto v : myView)
    std::cout << v << "n";

除此之外，也可以先把 view 的組合建立好，套用在不同的資料上。例如：

auto myAdapter = std::views::filter([](int v) {return v % 2; })
               | std::views::transform([](int v) {return v * v; });
int aData[] = { 1,2,3,4,5,6,7 };
for (auto v : aData | myAdapter)
    std::cout << v << "n";

Ranges 目前也有提供不少 adaptor 和 view 可以使用，除了上面的 filter、transform 外，還有 take、drop、split 等等，基本上已經可以組出很多東西了，有興趣可以自己參考 CppReference（連結）。

上面雖然是拿 int 做例子，但是實際上他不限於用來處理數字，對於文字也是可以用的。像是下面就是一個透過 std:views::join（參考）合併字串的例子：

std::vector<std::string> vData = { "Hello", "World"};
for (char c : vData | std::views::join)
{
     std::cout << c;
}

而透過 std::views::split（參考）也可以做到對字串的切割。

std::string sText = "This is an apple";
for (auto sWord : sText | std::views::split(' '))
{
     for (char c : sWord)
         std::cout << c;
     std::cout << "n";
}

可以看到上面的例子後來都是得逐字元去處理，這是因為得到的結果實際上都不是字串、所以不能直接輸出的關係。

雖然看 CppReference 的例子似乎是可以用 string_view 來玩，但是 Heresy 這邊不管是 MSVC 還是 g++ 都編譯不過就是了…

另外，像是 std::views::elements、std::views::keys、std::views::values 這三個，感覺應該算是比較特別的。

其中，std::views::elements 是可以用來讀取 tuple 這類的結構的資料（參考）；而 std::views::keys、std::views::values 則是用來讀取 pair 這種 key – value 的資料。

此外，Ranges 也有提供一些 range factory，可以用來產生 range 的資料。其中，比較可能會用到的，或許會是 std::views::iota 和 std::ranges::istream_view。

std::views::iota（參考）可以動態生成資料，下面是一個例子：

auto myView = std::views::iota(1,10);

在上面的例子裡面，會產生 1 – 10 的數值來做後續的操作。

而如果不確定要產生多少的話，則也可以不要加第二個引數，這時候會變成要多少的狀況～所以，後面則可以搭配 std::views::take 這類的 adapter 來做控制。

例如下面就是一個找出五個奇數的例子：

auto myView = std::views::iota(1)
            | std::views::filter([](int v) {return v % 2; })
            | std::views::take(5);

當然在這種條件簡單的狀況，這樣寫的意義不大，但是如果 filter 的條件較為複雜、或是比較沒有規律性的時候，是有可能會有用的。

而 std::ranges::istream_view 的話，則是可以透過 istream 的資料透過 operator>> 來依序讀出來使用；基本上應該是可以用來搭配 istringstream 這類的東西使用的（參考）。

而由於這些 views 都是透過 iterator 操作的，所以在一定程度上是可以搭配 STL 提供的演算法來使用的；例如：

int aData[] = {1,4,6,7,23,45,563,457,47,124,546,5,8};
auto v1 = aData | std::views::filter([](int v) {return v % 2; });
int num = std::count_if(v1.begin(), v1.end(), [](int v) {return v > 100; });

而比較有趣的，是 C++20 在 <algorithm> 中、對應既有的演算法也加入了以 ranges 作為 namespace 的「constrained algorithms」（參考）；例如上面的 std::count_if，也有新的 std::ranges::count_if 的版本：

int num = std::ranges::count_if(v1, [](int v) {return v > 100; });

新版本除了一樣可以傳一組 iterator（一般就是 begin() 和 end()）進去外，也可以直接傳一個 range object 進去，看起來相對更簡潔了。

此外，新的版本還有支援「projection」的功能，可以在處理每一項之前，就先套用一些計算、處理，讓使用 STL 的演算法變得更為彈性。

不過相對地，目前的 constrained algorithms 似乎都不支援平行化處理（Execution policies、參考），讓人覺得有點可惜…

另外，由於 ranges 各種 view 可能有不同的性質、限制，所以似乎不一定都能套用在既有的 STL 演算法上；像是 std::views::iota 在 MSVC 上似乎就不能在平行的 for_each 使用。

auto v = std::views::iota(1, 100);
std::for_each(std::execution::par, v.begin(), v.end(), [](int i) {
  std::cout << i << std::endl;
});

上面的程式在 MSVC 是無法正確編譯的，但是在 g++10 上似乎沒有問題？這部分可能和實作方法有關就是了。

不過這邊最大的問題…因該還是 Heresy 本身很少會去用 STL 的 algorithm 吧？ XD