C++23 views::chunk_by (P2443R1) 详解

引言

在C++的发展历程中，每一个新版本都会带来一些令人期待的特性和改进。C++23作为C++20的增量更新，聚焦于简化代码、增强类型安全和填补功能缺口。其中，std::views::chunk_by 作为范围适配器的新成员，为我们处理数据序列提供了更加便捷和高效的方式。本文将详细介绍 std::views::chunk_by 的基本概念、特性、使用场景以及示例代码。

C++23 范围库概述

在深入了解 std::views::chunk_by 之前，我们先来简单回顾一下C++20引入的范围库（Ranges library）。范围库是C++20的一个主要组成部分，它提供了一种新的方法来处理容器中的元素序列，使得代码更加简洁和可读。范围库主要包含以下几个关键概念：

范围视图（Range Views）

范围视图提供了一种不修改原始数据的情况下，对容器进行变换、过滤和切片的能力。常见的视图包括 std::views::all、std::views::filter、std::views::transform 等。例如：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};auto even_numbers = vec | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 0; });auto squared = even_numbers | std::views::transform([](int x) { return x * x; });auto first_three = squared | std::views::take(3);for (int x : first_three) {std::cout << x << " ";}// 输出: 4 16 36 return 0;
}

范围算法（Range Algorithms）

C++20引入了新的范围版本的算法，这些算法可以直接在范围对象上操作，而不需要显式循环。例如 std::ranges::sort、std::ranges::find 等。示例如下：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>int main() {std::vector<int> vec = {5, 3, 1, 4, 2};std::ranges::sort(vec);std::cout << "Sorted vector: ";for (int x : vec) {std::cout << x << " ";}// 输出: Sorted vector: 1 2 3 4 5 auto min_val = std::ranges::min(vec);std::cout << "\nMinimum value: " << min_val << std::endl;// 输出: Minimum value: 1 return 0;
}

范围适配器（Range Adapters）

范围适配器类似于视图，但它们通常用于创建新的范围对象。常见的适配器包括 std::ranges::views::join、std::ranges::views::chunk_by_size 等。

std::views::chunk_by 介绍

基本概念

std::views::chunk_by 是C++23中引入的一个范围适配器，它接受一个视图和一个可调用对象（二元谓词），并通过在每对相邻元素之间拆分底层视图来生成一个子范围（块）的视图。对于这些元素，谓词返回 false。每对元素中的第一个元素属于前一个块，第二个元素属于下一个块。

在标题 <ranges> 中定义如下：

template< ranges::forward_range V, std::indirect_binary_predicate<iterator_t<V>, ranges::iterator_t<V>> Pred >requires ranges::view<V> && std::is_object_v<Pred>
class chunk_by_view: public ranges::view_interface<chunk_by_view<V, Pred>> (since C++23)
namespace views {inline constexpr /* unspecified */ chunk_by = /* 未指定 */ ;
} (since C++23)

特性

• 谓词而非等价关系：与D语言的 chunkBy 不同，std::views::chunk_by 不要求谓词是一个等价关系。例如，D的 chunkBy 要求谓词满足自反性、对称性和传递性，而 std::views::chunk_by 则没有这个限制。
• 不支持输入范围：由于 chunk_by 需要对相邻元素计算谓词，因此它要求底层范围是前向范围（forward range）。缓存元素不是一种可行的方法，主要原因在 [P2321R2] 的第4.3.4节中有讨论。
• 范围属性：如果底层范围是双向范围（bidirectional range），则 chunk_by 也是双向范围；否则，它是前向范围。如果底层范围是通用范围（common range），则 chunk_by 也是通用范围。它永远不会是借用范围（borrowed range）或有大小范围（sized range）。
• 缓存机制：类似于 split，chunk_by 在其 begin 中计算第一个范围的末尾并进行缓存，以满足摊销的 $O(1)$ 要求。这意味着它不支持常量迭代。

使用场景

std::views::chunk_by 适用于需要将一个序列按照某种规则进行分组的场景。例如，将一个整数序列按照奇偶性进行分组，或者将一个字符串序列按照长度进行分组等。

示例代码

简单示例

#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>
#include <fmt/core.h>int main() {std::vector<int> v = {1, 2, 2, 3, 0, 4, 5, 2};fmt::print("{}\n", v | std::views::chunk_by(std::ranges::less_equal{}));   // [[1, 2, 2, 3], [0, 4, 5], [2]]return 0;
}

在这个示例中，我们使用 std::views::chunk_by 和 std::ranges::less_equal{} 谓词将整数序列 v 进行分组。当相邻元素不满足小于等于关系时，就会进行分组。

自定义谓词示例

#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>
#include <fmt/core.h>int main() {std::vector<int> v = {1, 3, 5, 2, 4, 6, 7, 9};auto is_odd = [](int x) { return x % 2 == 1; };auto chunked = v | std::views::chunk_by([&is_odd](int a, int b) { return is_odd(a) == is_odd(b); });for (const auto& chunk : chunked) {for (int x : chunk) {std::cout << x << " ";}std::cout << std::endl;}return 0;
}

在这个示例中，我们自定义了一个谓词 is_odd 来判断一个数是否为奇数。然后使用 std::views::chunk_by 将整数序列按照奇偶性进行分组。

总结

std::views::chunk_by 是C++23范围库中一个非常实用的范围适配器，它为我们处理数据序列提供了更加灵活和高效的方式。通过使用 std::views::chunk_by，我们可以轻松地将一个序列按照某种规则进行分组，而不需要手动编写复杂的循环和逻辑。同时，范围库的惰性求值特性也使得代码更加高效，避免了不必要的计算和内存消耗。在实际开发中，我们可以根据具体的需求灵活运用 std::views::chunk_by 来简化代码，提高开发效率。