D 编程 - 范围

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范围是对元素访问的抽象。这种抽象使得能够在大量容器类型上使用大量算法。范围强调如何访问容器元素，而不是容器如何实现。范围是一个非常简单的概念，它基于类型是否定义了某些成员函数集。

范围是 D 的一个组成部分。D 的切片恰好是最强大的范围 RandomAccessRange 的实现，Phobos 中有很多范围特性。许多 Phobos 算法返回临时范围对象。例如，在下面的代码中，filter() 选择大于 10 的元素实际上返回的是一个范围对象，而不是一个数组。

数字范围

数字范围非常常用，这些数字范围的类型为 int。下面显示了一些数字范围的示例：

// Example 1 
foreach (value; 3..7)  

// Example 2 
int[] slice = array[5..10];

Phobos 范围

与结构体和类接口相关的范围是 Phobos 范围。Phobos 是 D 语言编译器附带的官方运行时和标准库。

有各种类型的范围，包括：

  • InputRange (输入范围)
  • ForwardRange (前向范围)
  • BidirectionalRange (双向范围)
  • RandomAccessRange (随机访问范围)
  • OutputRange (输出范围)

InputRange (输入范围)

最简单的范围是输入范围。其他范围在其所基于的范围之上增加了更多要求。InputRange 需要三个函数：

  • empty - 指定范围是否为空；当范围被认为为空时，它必须返回 true；否则返回 false。

  • front - 提供对范围开头元素的访问。

  • popFront() - 通过移除第一个元素来缩短范围的开头。

示例

在线演示 
import std.stdio; 
import std.string; 
 
struct Student { 
   string name; 
   int number; 
   
   string toString() const { 
      return format("%s(%s)", name, number); 
   } 
}
  
struct School { 
   Student[] students; 
}
struct StudentRange {
   Student[] students; 
   
   this(School school) { 
      this.students = school.students; 
   } 
   @property bool empty() const { 
      return students.length == 0; 
   } 
   @property ref Student front() { 
      return students[0]; 
   } 
   void popFront() { 
      students = students[1 .. $]; 
   } 
}

void main() { 
   auto school = School([ Student("Raj", 1), Student("John", 2), Student("Ram", 3)]);
   auto range = StudentRange(school); 
   writeln(range);  
   
   writeln(school.students.length);
   
   writeln(range.front); 
   
   range.popFront;  
   
   writeln(range.empty); 
   writeln(range); 
}

编译并执行上述代码后，会产生以下结果：

[Raj(1), John(2), Ram(3)] 
3 
Raj(1) 
false 
[John(2), Ram(3)]

ForwardRange (前向范围)

ForwardRange 另外还需要 InputRange 的其他三个函数中的 save 成员函数部分，并在调用 save 函数时返回范围的副本。

在线演示 
import std.array; 
import std.stdio; 
import std.string; 
import std.range;

struct FibonacciSeries { 
   int first = 0; 
   int second = 1; 
   enum empty = false;   //  infinite range  
   
   @property int front() const { 
      return first; 
   } 
   void popFront() { 
      int third = first + second; 
      first = second; 
      second = third; 
   }
   @property FibonacciSeries save() const { 
      return this; 
   } 
}
  
void report(T)(const dchar[] title, const ref T range) {
   writefln("%s: %s", title, range.take(5)); 
} 

void main() { 
   auto range = FibonacciSeries(); 
   report("Original range", range);
   
   range.popFrontN(2); 
   report("After removing two elements", range); 
   
   auto theCopy = range.save; 
   report("The copy", theCopy);
   
   range.popFrontN(3); 
   report("After removing three more elements", range); 
   report("The copy", theCopy); 
}

编译并执行上述代码后，会产生以下结果：

Original range: [0, 1, 1, 2, 3] 
After removing two elements: [1, 2, 3, 5, 8] 
The copy: [1, 2, 3, 5, 8] 
After removing three more elements: [5, 8, 13, 21, 34] 
The copy: [1, 2, 3, 5, 8]

BidirectionalRange (双向范围)

BidirectionalRange 在 ForwardRange 的成员函数之上另外提供了两个成员函数。back 函数类似于 front，提供对范围最后一个元素的访问。popBack 函数类似于 popFront 函数，它从范围中移除最后一个元素。

示例

在线演示 
import std.array; 
import std.stdio; 
import std.string; 

struct Reversed { 
   int[] range; 
   
   this(int[] range) { 
      this.range = range; 
   } 
   @property bool empty() const { 
      return range.empty; 
   }
   @property int front() const { 
      return range.back;  //  reverse 
   }
   @property int back() const { 
      return range.front; // reverse 
   } 
   void popFront() { 
      range.popBack(); 
   }
   void popBack() { 
      range.popFront(); 
   } 
} 
 
void main() { 
   writeln(Reversed([ 1, 2, 3])); 
}

编译并执行上述代码后，会产生以下结果：

[3, 2, 1]

无限 RandomAccessRange

与 ForwardRange 相比，另外还需要 opIndex()。此外，空函数的值在编译时必须知道为 false。下面解释了一个简单的示例，其中使用了平方范围。

在线演示 
import std.array; 
import std.stdio; 
import std.string; 
import std.range; 
import std.algorithm; 

class SquaresRange { 
   int first;  
   this(int first = 0) { 
      this.first = first; 
   }
   enum empty = false; 
   @property int front() const { 
      return opIndex(0); 
   }
   void popFront() { 
      ++first; 
   }
   @property SquaresRange save() const { 
      return new SquaresRange(first); 
   }
   int opIndex(size_t index) const { 
      /* This function operates at constant time */ 
      immutable integerValue = first + cast(int)index; 
      return integerValue * integerValue; 
   } 
}
  
bool are_lastTwoDigitsSame(int value) { 
   /* Must have at least two digits */ 
   if (value < 10) { 
      return false; 
   } 
   
   /* Last two digits must be divisible by 11 */ 
   immutable lastTwoDigits = value % 100; 
   return (lastTwoDigits % 11) == 0; 
} 
 
void main() { 
   auto squares = new SquaresRange(); 
   
   writeln(squares[5]);
   
   writeln(squares[10]); 
   
   squares.popFrontN(5); 
   writeln(squares[0]); 
   
   writeln(squares.take(50).filter!are_lastTwoDigitsSame); 
}

编译并执行上述代码后，会产生以下结果：

25 
100 
25 
[100, 144, 400, 900, 1444, 1600, 2500]

有限 RandomAccessRange

与双向范围相比，另外还需要 opIndex() 和 length。这将通过使用斐波那契数列和前面使用的平方范围的详细示例来解释。此示例在普通的 D 编译器上运行良好，但在在线编译器上无法运行。

示例

在线演示 
import std.array; 
import std.stdio; 
import std.string; 
import std.range; 
import std.algorithm; 

struct FibonacciSeries { 
   int first = 0; 
   int second = 1; 
   enum empty = false;   //  infinite range  
   
   @property int front() const { 
      return first;
   }
   void popFront() { 
      int third = first + second; 
      first = second; 
      second = third; 
   }
   @property FibonacciSeries save() const { 
      return this; 
   } 
}
  
void report(T)(const dchar[] title, const ref T range) { 
   writefln("%40s: %s", title, range.take(5)); 
}
  
class SquaresRange { 
   int first;  
   this(int first = 0) { 
      this.first = first; 
   } 
   enum empty = false; 
   @property int front() const { 
      return opIndex(0); 
   }
   void popFront() { 
      ++first; 
   }
   @property SquaresRange save() const { 
      return new SquaresRange(first); 
   } 
   int opIndex(size_t index) const { 
      /* This function operates at constant time */ 
      immutable integerValue = first + cast(int)index; 
      return integerValue * integerValue; 
   } 
}
  
bool are_lastTwoDigitsSame(int value) { 
   /* Must have at least two digits */ 
   if (value < 10) { 
      return false; 
   }
   
   /* Last two digits must be divisible by 11 */ 
   immutable lastTwoDigits = value % 100; 
   return (lastTwoDigits % 11) == 0; 
}
  
struct Together { 
   const(int)[][] slices;  
   this(const(int)[][] slices ...) { 
      this.slices = slices.dup;  
      clearFront(); 
      clearBack(); 
   }
   private void clearFront() { 
      while (!slices.empty && slices.front.empty) { 
         slices.popFront(); 
      } 
   } 
   private void clearBack() { 
      while (!slices.empty && slices.back.empty) { 
         slices.popBack(); 
      } 
   }
   @property bool empty() const { 
      return slices.empty; 
   } 
   @property int front() const { 
      return slices.front.front; 
   }
   void popFront() { 
      slices.front.popFront(); 
      clearFront(); 
   }
   @property Together save() const { 
      return Together(slices.dup); 
   } 
   @property int back() const { 
      return slices.back.back; 
   } 
   void popBack() { 
      slices.back.popBack(); 
      clearBack(); 
   }
   @property size_t length() const { 
      return reduce!((a, b) => a + b.length)(size_t.init, slices); 
   }
   int opIndex(size_t index) const { 
      /* Save the index for the error message */ 
      immutable originalIndex = index;  

      foreach (slice; slices) { 
         if (slice.length > index) { 
            return slice[index];  
         } else { 
            index -= slice.length; 
         } 
      } 
      throw new Exception( 
         format("Invalid index: %s (length: %s)", originalIndex, this.length));
   } 
}
void main() { 
   auto range = Together(FibonacciSeries().take(10).array, [ 777, 888 ],
      (new SquaresRange()).take(5).array); 
   writeln(range.save); 
}

编译并执行上述代码后，会产生以下结果：

[0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 777, 888, 0, 1, 4, 9, 16]

OutputRange (输出范围)

OutputRange 表示流式元素输出，类似于将字符发送到 stdout。OutputRange 需要支持 put(range, element) 操作。put() 是在 std.range 模块中定义的函数。它在编译时确定范围和元素的功能，并使用最合适的方法来输出元素。下面显示了一个简单的示例。

在线演示 
import std.algorithm; 
import std.stdio; 
 
struct MultiFile { 
   string delimiter;
   File[] files;
   
   this(string delimiter, string[] fileNames ...) { 
      this.delimiter = delimiter; 

      /* stdout is always included */ 
      this.files ~= stdout; 

      /* A File object for each file name */ 
      foreach (fileName; fileNames) { 
         this.files ~= File(fileName, "w"); 
      } 
   }
   void put(T)(T element) { 
      foreach (file; files) { 
         file.write(element, delimiter); 
      } 
   }
}
void main() { 
   auto output = MultiFile("\n", "output_0", "output_1"); 
   copy([ 1, 2, 3], output);  
   copy([ "red", "blue", "green" ], output); 
}

编译并执行上述代码后，会产生以下结果：

[1, 2, 3] 
["red", "blue", "green"]
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