C++23：ranges::iota、ranges::shift_left和ranges::shift_right详解

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引言

C++23作为C++编程语言的一个重要版本，为开发者带来了许多新的特性和改进。其中，ranges::iota、ranges::shift_left与ranges::shift_right这三个无约束算法的范围化版本（P2440R1）为处理序列数据提供了更加便捷和高效的方式。本文将详细介绍这三个算法的定义、功能、使用场景以及代码示例。

`ranges::iota`

定义与功能

ranges::iota是std::iota的范围化版本，它在C++11中就已经存在，而在C++23中得到了进一步的扩展和优化。std::iota函数定义在<numeric>头文件中，用于将一个连续递增的值填充到指定的范围[first, last)中，起始值为value，并重复执行++value操作。其函数原型如下：

cpp 复制代码

#include <numeric>
template < class ForwardIt, class T >
void iota( ForwardIt first, ForwardIt last, T value );
(since C++11)
(constexpr since C++20)

ranges::iota的功能与之类似，但它更符合现代C++的范围编程范式，能够更方便地与其他范围算法和视图结合使用。

使用场景

ranges::iota常用于初始化数组或容器，为其赋予连续递增的值。例如，我们可以使用它来初始化一个包含连续整数的向量：

cpp 复制代码

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

int main() {
    std::vector<int> vec(10);
    std::ranges::iota(vec, 1);
    for (auto num : vec) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

在上述代码中，std::ranges::iota(vec, 1)将从1开始的连续整数填充到vec向量中。

代码示例

以下是一个更复杂的示例，展示了如何使用ranges::iota与其他范围视图结合：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <ranges>
#include <algorithm>

int main() {
    auto numbers = std::views::iota(1, 11);
    auto squared = numbers | std::views::transform([](int x) { return x * x; });
    std::ranges::for_each(squared, [](int x) { std::cout << x << " "; });
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

在这个示例中，std::views::iota(1, 11)生成了一个从1到10的整数范围，然后使用std::views::transform视图将每个数平方，最后使用std::ranges::for_each遍历并输出结果。

`ranges::shift_left`

定义与功能

ranges::shift_left是一个用于将范围中的元素向左移动指定位置的算法。它定义在<algorithm>头文件中，函数原型如下：

cpp 复制代码

#include <algorithm>
template< std::permutable I, std::sentinel_for<I> S >
constexpr ranges::subrange<I>
    shift_left( I first, S last, std::iter_difference_t<I> n ); (1) (since C++23)
template< ranges::forward_range R >
requires std::permutable<ranges::iterator_t<R>>
constexpr ranges::borrowed_subrange_t<R>
    shift_left( R&& r, ranges::range_difference_t<R> n ); (2) (since C++23)

该算法将范围[first, last)或r中的元素向左移动n个位置。如果n == 0 || n >= last - first，则没有任何效果；如果n < 0，行为是未定义的。否则，对于[0, last - first - n)中的每个整数i，将原本位于位置first + n + i的元素移动到位置first + i。

使用场景

ranges::shift_left常用于需要对序列进行循环移位的场景，例如在处理环形缓冲区或循环队列时。

代码示例

cpp 复制代码

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

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    int shiftAmount = 2;
    std::ranges::shift_left(numbers, shiftAmount);
    for (const auto& number : numbers) {
        std::cout << number << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

在这个示例中，std::ranges::shift_left(numbers, 2)将numbers向量中的元素向左移动了2个位置。

`ranges::shift_right`

定义与功能

ranges::shift_right与ranges::shift_left相反，它用于将范围中的元素向右移动指定位置。其函数原型如下：

cpp 复制代码

#include <algorithm>
template< std::permutable I, std::sentinel_for<I> S >
constexpr ranges::subrange<I>
    shift_right( I first, S last, std::iter_difference_t<I> n ); (3) (since C++23)
template< ranges::forward_range R >
requires std::permutable<ranges::iterator_t<R>>
constexpr ranges::borrowed_subrange_t<R>
    shift_right( R&& r, ranges::range_difference_t<R> n ); (4) (since C++23)

该算法将范围[first, last)或r中的元素向右移动n个位置。如果n == 0 || n >= last - first，则没有任何效果；如果n < 0，行为是未定义的。否则，对于[0, last - first - n)中的每个整数i，将原本位于位置first + i的元素移动到位置first + n + i。

使用场景

ranges::shift_right同样适用于需要对序列进行循环移位的场景，只是方向相反。

代码示例

cpp 复制代码

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

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
    std::ranges::shift_right(numbers, 2);
    for (const auto& number : numbers) {
        std::cout << number << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    return 0;
}

在这个示例中，std::ranges::shift_right(numbers, 2)将numbers向量中的元素向右移动了2个位置。

总结

C++23中的ranges::iota、ranges::shift_left与ranges::shift_right这三个无约束算法的范围化版本为开发者提供了更加强大、便捷和高效的序列处理能力。它们不仅简化了代码的编写，还提高了代码的可读性和可维护性。通过合理使用这些算法，我们可以更加轻松地处理各种序列数据，提升程序的性能和质量。