나만의 연습장 :: C++20) Ranges

views::drop

우리가 문자열 트리밍을 한다고 생각해봅시다.

즉, 어떠한 문자열이 들어오면, 선행/후행 공백이 제거된 새 문자열을 구성하려고 합니다.

예를 들어, "\n\t\r Hello World! \n\n" 를 "Hello World!" 로 변경해봅시다.

template <std::ranges::range R>
auto trimFront(R&& rng) {
	return std::forward<R>(rng) | std::views::drop_while(::isspace);
}

template <std::ranges::range R>
auto trimBack(R&& rng) {
	return std::forward<R>(rng) |
		std::views::reverse |
		std::views::drop_while(::isspace) |
		std::views::reverse;
}

std::string StringTrimming(const std::string_view& str) {
	auto view{ str | std::views::common };
	auto trimString{ trimBack(trimFront(view)) };
	return std::string{ trimString.begin(), trimString.end() };
}

int main() {
	std::string str{ "\n\t\r Hello World! \n\n" };
	std::cout << StringTrimming(str) << std::endl;	// Hello World!
}

std::views::drop, std::views::drop_while은 Functor을 받아. true라면 view를 한칸 뒤로 밀게 됩니다.

::isspace 는 C언어부터 있던 공백 확인 함수입니다.

trimFront 같은 경우, std::views::drop_while과 isspace를 통해 공백이 확인된 원소는 넘어가게 되고, 공백이 없는 원소를 찾아내면 그 원소를 통해 새로운 view를 구축합니다.

즉 trimFront를 통해 "Hello World! \n\n" view를 만들어 낼 수 있습니다.

trimBack같은 경우, 뒤에서 부터 찾아야 하기 때문에 view를 뒤집고, drop_while을 통해 공백이 없는 원소를 가지고 새로운 view를 구축한 다음 다시 뒤집고 반환합니다.

그 결과 trimStrimg은 공백이 제거된 std::views 이므로, 이를 통해 새로운 std::string을 생성합니다.

std::views::drop 같은 view들의 조작을 하는 함수를 'Adaptor' 라고 합니다.

ㄴ 'Range adaptor'에 대한 설명은 밑 부분에 다시 설명합니다.

우리는 Adaptor를 구성하고, 파이프 연산을 할 수 있습니다.

이는 가독성을 크게 증가시키는데, trimFront와 trimBack이 어떻게 변경되는지 잘 보세요.

auto trimFront() {
	return std::views::drop_while(::isspace);
}

auto trimBack() {
	return 
		std::views::reverse |
		std::views::drop_while(::isspace) |
		std::views::reverse;
}

std::string StringTrimming(const std::string_view& str) {
	auto trimString{ 
		trimBack()(
			trimFront()(
				str
				)
		)
	};
	return std::string{ trimString.begin(), trimString.end() };
}

int main() {
	std::string str{ "\n\t\r Hello World! \n\n" };
	std::cout << StringTrimming(str) << std::endl;	// Hello World!
}

우리는 각 Adaptor들을 반환했기 때문에, Adaptor를 통해서 새로운 view를 구축할 수 있습니다.

trimString이 맘에 안들 수 있습니다. (개인적으로 저도 맘에 너무 안들었습니다. callable이 저런식으로..)

이를 더욱 더 가독성있게 변경할 수 있습니다. 각 어댑터들이 view라는걸 생각해보면 정말 쉽게 치환이 가능합니다.

auto trimString{ 
	str |
	trimFront() |
	trimBack()
};

views::filter

어떠한 view가 들어왔을 때, 조건에 맞는 원소들만으로 새로운 view를 구축합니다.

예를 들어, [0, 100) 사이의 값들 중 짝수만 출력하고 싶다면 다음과 같이 가능합니다.

int main() {
	auto even = [](int elem) { return elem % 2 == 0; };

	for (int i : std::views::iota(1, 100) |
	             std::views::filter(even)) {
		    std::cout << i << std::endl;
	}
}

위의 views::drop_ 과 views::filter는 자주 사용되는 view들이므로 잘 알아둡시다.

views들은 실제로는 view_iterface를 상속받아 xx_view 라는 이름의 클래스로 정의되어 있습니다.

xx_view들은 다음과 같이 있습니다.

위의 views::drop과 views::filter도 실은 이곳에 해당합니다.

view_interface

view가 되는 클래스는 공통 부분의 구현을 단순화하기 위해 view_interface라는 클래스를 상속하고 있습니다.

view_interface는 CRTP에 의해 파생 클래스 타입을 받고, 파생된 view의 컨테이너 인터페이스를 대비하기 위함입니다.

즉 'empty(), data(), size(), front(), back(), operator[]' 같은 컨테이너들의 함수를 제공하고, 참조할 수 있습니다.

template<class D>
  requires is_class_v<D> && same_as<D, remove_cv_t<D>>
class view_interface : public view_base {
  // impl
};

view_base는 단순하게, view가 될 수 있는 클래스를 식별하기 위한 것입니다.

타입 D에 요구하는 것은, D는 클래스 타입이며 const/volatile 키워드가 제거된 타입이어야 한다는 것입니다.

직접 view를 정의할 때 사용되는데, 이것을 상속하면 std::ranges::enable_view가 자동으로 true가 됩니다.

이제 이를 상속받는 다양한 view들중, 주요한 view들만 간략하게 확인합시다.

empty_view

단순히 T 타입의, 빈 시퀀스를 나타내는 view 입니다.

비어있는 (empty) range를 제공할 때 사용됩니다.

empty_view는 다음과 같이 정의되어 있습니다.

namespace std::ranges {
  template<class T>
    requires is_object_v<T>
  class empty_view : public view_interface<empty_view<T>> {
  public:
    static constexpr T* begin() noexcept { return nullptr; }
    static constexpr T* end() noexcept { return nullptr; }
    static constexpr T* data() noexcept { return nullptr; }
    static constexpr size_t size() noexcept { return 0; }
    static constexpr bool empty() noexcept { return true; }
  };

  namespace views {
    template<class T>
    inline constexpr empty_view<T> empty{};
  }
}

다음과 같이 range factories를 사용할 수 있습니다.

#include <ranges>

int main() {
  for (int n : std::views::empty<int>) {
    assert(false);
  }
}

우리가 std::ranges::filter_view를 사용하지 않고 std::views::filter를 사용한 것 처럼,
std::views의 네임스페이스에 view 객체들중 몇몇을 'range factory' 라고 합니다. -> 이는 아래에서 다시 설명합니다.

single_view

T 타입의 요소를 1개만 가지는 시퀀스를 나타내는 view입니다.

range를 가지고 알고리즘에 대해 1개 요소만 넣고 싶을 경우 등에 사용됩니다.

#include <ranges>

int main() {
  std::ranges::single_view<int> sv{20};

  for (int n : sv) {
    std::cout << n;
  }
}

single_view는 다음과 같이 정의되어 있습니다.

namespace std::ranges {
  template<copy_constructible T>
    requires is_object_v<T>
  class single_view : public view_interface<single_view<T>> {
  private:
    semiregular-box<T> value_;
  public:
    single_view() = default;
    constexpr explicit single_view(const T& t);
    constexpr explicit single_view(T&& t);
    template<class... Args>
      requires constructible_from<T, Args...>
    constexpr single_view(in_place_t, Args&&... args);

    constexpr T* begin() noexcept;
    constexpr const T* begin() const noexcept;
    constexpr T* end() noexcept;
    constexpr const T* end() const noexcept;
    static constexpr size_t size() noexcept;
    constexpr T* data() noexcept;
    constexpr const T* data() const noexcept;
  };
}

특이한 것은, 네 번째의 constructibe_from 을 사용한 single_view 생성자인데

이것은 직접 생성자를 불러 구축할 수 있음을 명시합니다.

int main() {
  
  std::ranges::single_view<std::string> sv(std::in_place, "in place construct", 8);

  for (auto& str : sv) {
    std::cout << str; // in place
  }
}

다음과 같이 range factories를 사용할 수 있습니다.

int main() {
  for (auto& str : std::views::single(std::string{"in place construct", 8})) {
    std::cout << str;
  }
}

iota_view

iota_view는 건네받은 2 개의 값을 시작점과 끝점으로 사용하여, 일정하게 증가하는 시퀀스를 나타내는 view 입니다.

정수에 한정한다면, init, bound 두 값을 전달하면 [init, bound) 의 범위에서 1씩 증가하는 수열을 생성합니다.

#include <ranges>

int main() {
  std::ranges::iota_view iv{1, 10};

  for (int n : iv) {
    std::cout << n; // 123456789
  }
}

또한 bound를 제공하지 않으면, 무한한 수열을 생성합니다.

#include <ranges>

int main() {
  std::ranges::iota_view iv{1};

  for (int n : iv) {
    std::cout << n;     // 1234567891011121314151617181920
    if (n == 20) break; // 20번째에서 빠져나오기 위해..
  }
}

기본적으로 수열을 생성하는데 사용하지만, 증가 가능하며 거리를 정의할 수만 있다면 어떤 형태든 가능합니다.

이는 std::weakly_incrementable 에 의해 제한되는데, 이것만 만족한다면 어떤 경우든 가능합니다.

예를 들어, 포인터와 컨테이너의 시퀀스를 생성해낼 수 있습니다.

int main() {
  
  int array[] = {2, 4, 6, 8, 10};
  
  // 포인터 시퀀스
  std::ranges::iota_view iva{std::ranges::begin(array), std::ranges::end(array)};

  for (int* p : iva) {
    std::cout << *p;  // 246810
  }
  
  std::cout << '\n';
  
  std::list list = {1, 3, 5, 7, 9}; 
  
  // list 컨테이너의 iterator를 사용한 시퀀스
  std::ranges::iota_view ivl{std::ranges::begin(list), std::ranges::end(list)};

  for (auto it : ivl) {
    std::cout << *it; // 13579
  }
}

std::weakly_incrementable이 만족하려면 다음과 같아야 합니다.

++i 또는 i++ 같은 연산자를 통해 증가가 가능해야 합니다.
i가 증가 가능한경우, ++i와 i++는 i의 다음 요소가 제공되어야 합니다. ( 즉 i +1 은 i 다음의 요소가 제공되어야 함 )
i가 증가 가능한경우, addressof(++i)와 addressof(i)는 등치 상태입니다.

iota_view 같은 경우 lazy operation 이므로, 이터레이터가 증가됨에 따라 1 개씩 요소가 계산됩니다.

int main() {
  std::ranges::iota_view iv{1, 10}; // 이 때는 어떤 행동도 하지 않습니다.

  auto it = std::ranges::begin(iv); // 이 때는 어떤 행동도 하지 않습니다.

  int n1 = *it; // 1이라는 숫자를 이 때 계산합니다.
  ++it;         // 2라는 숫자를 이 때 계산합니다.
  it++;         // 3이라는 숫자를 이 때 계산합니다.
  int n2 = *it; // 3이라는 숫자를 얻어낼 수 있습니다.
}

다음과 같이 range factories를 사용할 수 있습니다.

#include <ranges>

int main() {
  for (int n : std::views::iota(1, 10)) {
    std::cout << n;   // 123456789
  }
  
  std::cout << '\n';

  for (int n : std::views::iota(1)) {
    std::cout << n;   // 1234567891011121314151617181920
    if (n == 20) break;
  }
}

istream_view

istream이 나타내는 입력 스트림에 있는 T 값의 시퀀스를 생성하는 view 입니다.

이는 std::istream_iterator를 view로 재설계한 것입니다.

특성상 istream_view는 항상 input_range 이므로, 양방향성 (bidirection)을 보장하지 않습니다. 따라서 istream_view는 move-only 입니다.

istream_view는 lazy operation 입니다.

#include <ranges>

int main() {
  for (int n : std::ranges::istream_view<int>(std::cin)) {
    std::cout << n; // 123456
  }
}

istream_view<T>는 사실 view 클래스가 아니라, range factory 함수입니다.

istream_view는 basic_istream_view라는 클래스에서 임의의 istream 인자를 받고 그것을 사용하여 basic_istream_view를 구축한 후 반환합니다. basic_istream_view의 정의는 다음과 같습니다.

namespace std::ranges {

  template<movable Val, class CharT, class Traits>
    requires default_initializable<Val> &&
             stream-extractable<Val, CharT, Traits>
  class basic_istream_view : public view_interface<basic_istream_view<Val, CharT, Traits>> {
  public:
    basic_istream_view() = default;
    constexpr explicit basic_istream_view(basic_istream<CharT, Traits>& stream);

    constexpr auto begin()
    {
      if (stream_) {
        *stream_ >> object_;
      }
      return iterator{*this};
    }

    constexpr default_sentinel_t end() const noexcept;

  private:
    struct iterator;                                    
    basic_istream<CharT, Traits>* stream_ = nullptr;    
    Val object_ = Val();                                
  };
}

basic_istream_view를 사용하면 3개의 템플릿 매개 변수를 다 지정해야 합니다.

그러므로 그냥 istream_view 사용합시다

이전까지의 empty_view, single_view, iota_view, istream_view는 range factories 였습니다.

하지만 istream_view부터는 range adaptors 입니다.

range adaptors는 range factories와는 다릅니다.
range adaptors : 기본적으로 하나 이상의 range를 취하고, '특정 작업을 적용한' range를 반환하는 알고리즘
range factories : range를 취하지 않고, range를 반환하는 알고리즘
이해가 잘 안된다면, 다음 을 확인해주세요.

take_view

시퀀스의 시작 위치에서, 지정된 수만큼 요소를 꺼낸 시퀀스를 생성하는 view 입니다.

다른 작업을 적용한 시퀀스에서 최종 결과를 꺼낼 때 사용합니다.

take_view도 이전의 dangling 처럼 순서의 길이보다 긴 수를 지정하는 것을 대비해, 대책이 되어 있습니다.

r이 sized_range에 있다면?
1. r 이 random_access_range인 경우에, r의 마지막 iterator를 사용합니다.
2. 아니라면, r의 처음 iterator와 주어진 길이중 짧을 쪽을 넘겨 구축 (std::counted_iterator)
아니라면, 처음 iterator와 주어진 길이중 짧은 쪽을 넘겨 구축 (std::counted_iterator)

sized_range란, concept을 이용해 거리를 정의할 수 있는 range를 나타냅니다.

std::counted_iterator란 C++20 에서 추가되었으며, 주어진 반복자를 래핑하고, 지정된 길이만큼 반복이 가능합니다.

sentinel에 의해 확실히 오버플로 나지 않도록 설계되었습니다.

#include <ranges>

int main() {
  using namespace std::string_view_literals;
  
  // 문자열의 크기보다 긴 길이를 지정한다. (random_access_iterator)
  std::ranges::take_view tv1{"str"sv, 10};
  
  int count = 0;
  
  // 안전, 3번만 돕니다.
  for ([[maybe_unused]] char c : tv1) {
    ++count;
  }
  
  std::cout << "loop : " << count << '\n';  // loop : 3
  
  std::list li = {1, 2, 3, 4, 5};
  
  // list의 크기보다 긴 길이를 지정한다. (1.2의 std::counted_iterator)
  std::ranges::take_view tv2{li, 10};
  count = 0;

  // 안전, 5번만 돕니다.
  for ([[maybe_unused]] int n : tv2) {
    ++count;
  }
  
  std::cout << "loop : " << count << '\n';  // loop : 5

  std::forward_list fl = {1, 2, 3, 4, 5};
  
  // 원래의 forward_list보다 긴 길이를 지정한다. (2의 std::counted_iterator)
  std::ranges::take_view tv3{fl, 10};
  count = 0;

  // 안전, 5번만 돕니다.
  for ([[maybe_unused]] int n : tv3) {
    ++count;
  }
  
  std::cout << "loop : " << count << '\n';  // loop : 5
}

take_view는 '거의' 길이의 관리만 하면 되기 때문에, lazy operation이 가능합니다.

다음과 같이 range adaptors를 사용할 수 있습니다.

#include <ranges>

int main() {
  
  for (int n : std::views::take(std::views::iota(1), 5)) {
    std::cout << n;
  }
  
  std::cout << '\n';

  for (int n : std::views::iota(1) | std::views::take(5)) {
    std::cout << n;
  }
}

이 외의 view들은 다음을 확인해 주세요.

empty_view https://zenn.dev/onihusube/articles/6608a0185832dc51213c
single_view https://zenn.dev/onihusube/articles/5c922fe6856859ef8bf7
iota_view https://zenn.dev/onihusube/articles/87647047e094fe5f3b94
istream_view https://zenn.dev/onihusube/articles/ff891b851802813d73a1
ref_view https://zenn.dev/onihusube/articles/d900f52393b809f5300a
filter_view https://zenn.dev/onihusube/articles/d6ea9550bd0daf46394c
transform_view https://zenn.dev/onihusube/articles/6e053bfeb4fce1db0613
take_view https://zenn.dev/onihusube/articles/cadd871201d9ac0dd322
take_while_view https://zenn.dev/onihusube/articles/4c9df5ac12e042eb62a6
drop_view https://zenn.dev/onihusube/articles/a0b5207df9d587ce0973
drop_while_view https://zenn.dev/onihusube/articles/8fa73ccc945e6002ba5f
join_view https://zenn.dev/onihusube/articles/42b5465e778cee595f76
split_view https://zenn.dev/onihusube/articles/8accfa7e3e30239d7e91
counted_view https://zenn.dev/onihusube/articles/5b857ad5bae3190d0d3b
common_view https://zenn.dev/onihusube/articles/ee74272e49fb3953fa3b
reverse_view https://zenn.dev/onihusube/articles/b91aa582d28ed869ec09
elements_view https://zenn.dev/onihusube/articles/9a13745c24b36b9bd753

이 외에도, 다음과 같은 함수가 있습니다.

std::all_view, std::views::all : 모든 데이터에 대한 view를 생성합니다.

#include <ranges>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <type_traits>
 
int main()
{
    std::vector<int> v{0,1,2,3,4,5};
    for(int n : std::views::all(v) | std::views::take(2) ) {
        std::cout << n << ' ';	// 0, 1
    }
 
    static_assert(std::is_same<
        decltype(std::views::single(42)),
        std::ranges::single_view<int>
        >{});
 
    static_assert(std::is_same<
        decltype(std::views::all(v)),
        std::ranges::ref_view<std::vector<int, std::allocator<int>>>
        >{});
 
    int a[]{1,2,3,4};
    static_assert(std::is_same<
        decltype(std::views::all(a)),
        std::ranges::ref_view<int [4]>
        >{});
 
    static_assert(std::is_same<
        decltype(std::ranges::subrange{std::begin(a)+1, std::end(a)-1}),
        std::ranges::subrange<int*, int*, std::ranges::subrange_kind(1)>
        >{});
}

std::keys_view, std::views::keys : '페어 같은 값' 들의 첫번째 값을 가져옵니다.

( 즉 map 이라면 키 값들의 view 들입니다, std::pair라면 first 값들의 view 들입니다. )

#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <ranges>
#include <utility>
#include <vector>
 
int main()
{
    const std::vector<std::pair<std::string, double>> quark_mass{ // MeV/c²
        {"up", 2.3},      {"down", 4.8},
        {"charm", 1275},  {"strange", 95},
        {"top", 173'210}, {"bottom", 4'180},
    };
 
    std::cout << "quark name:  │ ";
    for (std::string const& name : std::views::keys(quark_mass))
        std::cout << std::setw(9) << name << " │ ";
 
    std::cout << "\n" "mass MeV/c²: │ ";
    for (const double mass : std::views::values(quark_mass))
        std::cout << std::setw(9) << mass << " │ ";
    std::cout << '\n';
}

quark name:  │        up │      down │     charm │   strange │       top │    bottom │ 
mass MeV/c²: │       2.3 │       4.8 │      1275 │        95 │    173210 │      4180 │

std::values_view, std::views::values : '페어 같은 값' 들의 두번째 값을 가져옵니다.

(즉 map 이라면 value 값들의 view 들입니다, std::pair라면 second 값들의 view 들입니다. )

#include <iostream>
#include <ranges>
#include <map>
 
int main()
{
    std::map<char, int> map{ {'A', 1}, {'B', 2}, {'C', 3}, {'D', 4}, {'E', 5} };
 
    auto odd = [](int x) { return 0 != (x & 1); };
 
    std::cout << "Odd values in the map: ";
    for (int value : map | std::views::values | std::views::filter(odd))
        std::cout << value << ' ';
}

Odd values in the map: 1 3 5

이 외의, 이해가 안되는 함수들에 대해 질문을 주시거나

설명을 원하는 함수가 있으시다면 댓글로 남겨주시면 추가 작성하여 수정하겠습니다.

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