C++20 Ranges：告别手写循环，像 SQL 一样操作数据

你是否还在为嵌套的 for 循环和繁琐的 STL 算法调用而烦恼？是否觉得数据处理代码的意图不够直观？C++20 Ranges 库的到来，将彻底改变你操作数据序列的方式。

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系列文章索引

• 第 1 篇： 《告别"祖传C++"：开启你的现代C++之旅》
• 第 2 篇： 《现代C++的基石：你不得不知的C++11/14/17核心特性》
• 第 3 篇： 《C++20 Concepts：让模板错误信息不再"天书"》
• 第 4 篇： 《C++20 Ranges：告别手写循环，像 SQL 一样操作数据》
• 第 5 篇： 《C++20 协程初探：用同步思维写异步代码》
• 第 6 篇： 《C++20 Modules：终结"头文件地狱"的曙光》
• 第 7 篇： 《尝鲜C++23：std::mdspan、std::expected与更多实用利器》
• 第 8 篇： 《实战演练：用现代 C++ 重构一个"老项目"》
• 第 9 篇： 《现代 C++ 最佳实践清单：编写更安全、更高效的代码》

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0. 前言：数据处理的新范式

在 C++20 之前，我们处理一个数据序列（如 std::vector）通常有两种方式：

1. 手写 for 循环：命令式风格，步骤清晰，但容易将业务逻辑与循环控制混在一起，代码冗长且难以复用。
2. STL 算法 （std::sort, std::transform 等）：函数式风格，但常常需要配合迭代器（begin(), end()），并且当需要组合多个操作时，会产生许多临时的中间容器，既影响性能又让代码变得支离破碎。

C++20 引入的 Ranges（范围）库 ，提供了一种全新的声明式数据处理范式。它允许你像写 SQL 查询或 Linux 管道一样，用一种清晰、可组合且高效的方式来表达对数据的操作。

1. "之前"的世界：命令式循环的痛苦

让我们来看一个经典的需求：从一个整数集合中，筛选出所有偶数，将它们平方，然后取出前 5 个结果。

传统 for 循环实现

#include <vector>
#include <iostream>

std::vector<int> process_numbers(const std::vector<int>& input) {
    std::vector<int> result;
    for (int num : input) {
        if (num % 2 == 0) {
            int squared = num * num;
            if (result.size() < 5) {
                result.push_back(squared);
            } else {
                break; // 手动控制循环退出
            }
        }
    }
    return result;
}

痛点分析：

• 逻辑混杂：筛选、转换、限制数量的逻辑都挤在一个循环里。
• 可读性差：需要阅读整个循环才能理解最终结果是如何得出的。
• 手动控制 ：需要手动管理 result 容器和循环的退出条件。

2. Ranges 的核心思想：视图与管道

Ranges 库的核心是两个概念：视图 和 管道。

• 视图：视图是一个"懒加载"的、非拥有的范围。它不持有数据，只是对现有数据的一种"投影"或"滤镜"。对视图的操作不会立即执行，也不会产生新的容器，因此几乎没有性能开销。
• 管道 ：使用管道操作符 |，你可以将多个视图串联起来，形成一个数据处理管道。数据会像水流一样，依次通过管道中的每一个过滤器。

这种组合方式，让代码的读法和写法完全一致，极具表现力。

3. "之后"的世界：Ranges 的优雅

现在，让我们用 Ranges 来重写上面的需求。

#include <vector>
#include <ranges>   // Ranges 库的头文件
#include <algorithm> // for std::ranges::to (C++23) 或其他动作
#include <iostream>

// 为了在 C++20 中使用 to_vector，需要一个简单的辅助函数
// (C++23 将直接提供 std::ranges::to)
template<std::ranges::range R>
auto to_vector(R&& r) {
    std::vector<std::ranges::range_value_t<R>> v;
    for (auto&& e : r) {
        v.push_back(std::forward<decltype(e)>(e));
    }
    return v;
}

std::vector<int> process_numbers_ranges(const std::vector<int>& input) {
    auto pipeline = input 
        | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; }) // 筛选偶数
        | std::views::transform([](int n) { return n * n; })    // 平方
        | std::views::take(5);                                // 取前 5 个

    // 管道是懒加载的，只有在这里（一个"动作"）才会真正执行计算
    return to_vector(pipeline); 
}

优点分析：

• 声明式：代码清晰地"声明"了我们想要做什么：筛选、转换、取 5 个。它没有描述"如何"做。
• 可读性极高：代码从左到右读，就像一句自然语言。
• 可组合性强：每个视图都是独立的，可以像乐高积木一样随意组合。
• 性能优异 ：由于视图的懒加载特性，整个管道操作不会产生任何中间 std::vector，数据是逐个元素流过整个管道的，效率极高。

4. 常用视图一览

Ranges 库提供了大量实用的视图，以下是一些最常用的：

• std::views::filter(pred) ：只保留满足谓词 pred 的元素。
• std::views::transform(func) ：对每个元素应用函数 func。
• std::views::take(n) / std::views::drop(n) ：取前 n 个元素 / 跳过前 n 个元素。
• std::views::keys / std::views::values ：对于一个键值对的范围（如 std::map），分别提取所有的键或所有的值。

#include <map>
std::map<std::string, int> scores = {{"Alice", 90}, {"Bob", 85}, {"Charlie", 95}};

// 提取所有学生姓名
auto names = scores | std::views::keys;
// 提取所有分数
auto values = scores | std::views::values;

• std::views::split(delimiter) ：按分隔符 delimiter 分割一个范围，常用于字符串处理。

std::string s = "hello,world,cpp";
auto parts = s | std::views::split(',');
// parts 的结果是三个子范围的视图：['h','e','l','l','o'], ['w','o','r','l','d'], ['c','p','p']

5. 总结与展望

Ranges 库通过引入声明式的管道操作，彻底革新了 C++ 中数据处理的范式。它让我们能够告别繁琐的 for 循环和低效的中间容器，写出既简洁又高性能的代码。

它的核心优势在于：

• 可读性：代码即意图，一目了然。
• 可组合性：像搭积木一样构建复杂的数据处理逻辑。
• 高性能：懒加载视图避免了不必要的计算和内存分配。

Ranges 是 C++20 中最激动人心的特性之一，它让 C++ 在数据处理领域向现代函数式编程语言看齐。

在你的下一个数据处理任务中，放弃 for 循环，尝试用 Ranges 管道来构建它吧！

你会发现，代码的逻辑从未如此清晰。在下一篇文章中，我们将探索 C++20 的另一大杀器：协程，看看它如何用同步的思维来处理异步任务。