C++23：修正常量迭代器、哨兵和范围

引言

在C++的发展历程中，每一个新版本都带来了一系列令人期待的新特性，这些特性不仅提升了语言的性能和表达能力，还为开发者提供了更加便捷和高效的编程方式。C++23作为C++标准的一个重要版本，在很多方面进行了完善和优化。其中，对常量迭代器、哨兵和范围的修正，特别是ranges::cbegin和其他类似实用程序的改进，是值得关注的一个点。本文将深入探讨C++23在这方面的改进，以及提案P2278R4所带来的变化。

C++20范围库回顾

在了解C++23的改进之前，我们先来回顾一下C++20引入的范围库（Ranges）。范围库是C++20的一个重要特性，它彻底改变了我们处理序列数据的方式，提供了更富有表现力、更易组合的抽象。简单来说，Range就是一种可以遍历的序列，你可以把它想象成更智能、更灵活的数组或者容器。C++20引入了Ranges这个概念，让我们可以更方便地操作这些序列，例如，可以使用Ranges来过滤、转换、拼接序列等。

std::views是C++20里提供的一系列工具函数，用来对序列进行各种变换。它可以帮助我们以一种非常直观的方式对序列进行操作，比如过滤、转换、切片等等。以下是一个简单的示例，展示了如何使用std::views来过滤出数组中的偶数，并将这些偶数加倍：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>int main() {std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};auto result = numbers | std::views::filter([](int n) { return n % 2 == 0; })| std::views::transform([](int n) { return n * 2; });for (int n : result) {std::cout << n << ' ';}return 0;
}

在这个示例中，我们使用std::views::filter和std::views::transform对序列进行了处理，代码不仅简洁，而且非常直观。

C++23之前常量迭代器的问题

在C++中，常量正确性是编写安全、可维护代码的基石。当我们传递一个对象给一个函数并期望它不被修改时，我们通常会使用const限定符。对于范围而言，我们期望std::ranges::cbegin和std::ranges::cend提供常量迭代器，从而允许只读访问。然而，在某些情况下，事情并不那么简单。

视图可能不传播const

某些视图可能被设计为即使在const合格的范围上操作，其迭代器解引用也可能返回可修改的引用或代理。这就导致了即使我们使用了cbegin和cend，仍然有可能意外地修改底层数据。

代理对象的复杂性

像std::vector<bool>这样的特化容器，或者某些自定义视图，其operator*返回的是代理对象而不是直接引用。这些代理对象的常量行为可能与预期不符。如果代理对象没有正确处理常量性，即使原始范围是const的，或者我们通过cbegin()获取了迭代器，仍有可能意外地修改底层数据（或者更常见的是，代理对象本身提供了修改操作，而我们希望禁止它）。

泛型代码中的一致性

当编写接受各种范围的泛型代码时，确保统一的只读访问可能很棘手。我们希望有一种方法强制任何传入的范围都表现为常量序列。

P2278R4提案及C++23的改进

为了解决这些问题并进一步增强范围库的健壮性，C++23带来了std::views::as_const（提案P2278R4）。这个小巧但功能强大的视图适配器（view adaptor）为我们提供了一种明确的方式来获取一个范围的常量视图，确保通过该视图访问的元素都是常量。

std::views::as_const的工作原理

std::views::as_const是一个范围适配器对象。当你将一个范围r通过管道传递给views::as_const（即r | std::views::as_const）时，它会返回一个新的视图。这个新视图具有以下关键特性：

• 常量元素访问：对其迭代器解引用（*it）将产生一个常量左值引用（const T&），或者一个其行为类似于常量引用的代理对象。这意味着你不能通过这个视图修改元素。
• 基于std::as_const：它的行为类似于对范围中的每个元素应用std::as_const。回想一下，std::as_const(x)会返回x的一个常量左值引用。views::as_const将这个概念扩展到了整个范围。
• 保留底层范围的类别：如果输入范围是一个common_range、sized_range等，views::as_const生成的视图通常也会是相应类别的范围（如果适用）。

代码示例

让我们通过一些例子来看看views::as_const的实际应用：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges> // 需要 C++20/23 范围支持
#include <string>void print_elements_const(std::ranges::range auto const& r) {for (const auto& elem : r) {// elem 在这里是 const// elem = "new value"; // 编译错误std::cout << elem << " ";}std::cout << std::endl;
}int main() {std::vector<std::string> data = {"hello", "world", "c++23"};std::cout << "Original data: ";for (const auto& s : data) {std::cout << s << " ";}std::cout << std::endl;// 创建一个 data 的常量视图auto const_view = data | std::views::as_const;std::cout << "Through views::as_const: ";for (const auto& elem : const_view) { // elem 也是 const std::string&std::cout << elem << " ";// elem = "test"; // 编译错误！无法通过 const_view 修改}std::cout << std::endl;// 尝试修改 const_view 中的元素 (将导致编译错误)// if (!const_view.empty()) {//     const_view.front() = "modified"; // 编译错误// }// 即使原始数据不是 const，也可以传递 const_view 给期望 const 范围的函数print_elements_const(const_view);// 原始数据仍然可以被修改 (如果它不是 const)data[0] = "Greetings";return 0;
}

在这个示例中，我们创建了一个std::vector<std::string>类型的data，然后通过std::views::as_const创建了它的常量视图const_view。我们可以看到，通过const_view访问元素时，无法对元素进行修改，而原始数据data仍然可以被修改。

浅const视图（如std::span）的改进

C++23中，对于浅const视图，例如std::span，ranges::cbegin和其他类似的实用程序返回的常量迭代器得到了完全保证。std::span是C++20引入的一种语法糖，用于表示连续内存范围。它提供了一种轻量级的、非拥有式的、零开销的方式来引用数组或其他连续内存块。

在C++23之前，std::ranges::cbegin返回的是指向const限定参数的第一个元素的迭代器。而从C++23开始，它返回的是参数的第一个元素的常量迭代器。对于std::span，在C++23中也新增了cbegin()和cend()成员函数，返回常量迭代器，确保了即使对于浅const视图，也能提供可靠的只读访问。

以下是一个关于std::span使用常量迭代器的示例：

#include <iostream>
#include <span>void print(std::span<const int> array) {std::cout << "array = ";for (auto it = array.cbegin(); it != array.cend(); ++it) {std::cout << *it << ' ';}std::cout << '\n';
}int main() {int array[]{1, 3, 4, 5};print(array);return 0;
}

在这个示例中，我们定义了一个print函数，接受一个std::span<const int>类型的参数。在函数内部，我们使用cbegin()和cend()来遍历span，确保不会修改其内容。

总结

C++23对常量迭代器、哨兵和范围的修正，特别是ranges::cbegin和其他类似实用程序的改进，以及std::views::as_const视图适配器的引入，解决了C++20范围库在常量正确性方面存在的一些问题。这些改进使得开发者在编写代码时能够更加方便地处理常量范围，确保数据的只读访问，提高了代码的安全性和可维护性。同时，对于浅const视图（如std::span），常量迭代器的保证也让我们在使用这些视图时更加放心。随着编译器对C++23标准的逐步支持，这些新特性将为C++程序员提供更多的便利和灵活性。