范围（Ranges）

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2023-12-01

范围是元素访问的抽象。这种抽象使得能够在大量容器类型上使用大量算法。范围强调容器元素的访问方式，而不是容器的实现方式。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的组成部分.D的切片恰好是最强大的范围RandomAccessRange的实现，并且Phobos中有许多范围特征。许多Phobos算法返回临时范围对象。例如，filter（）在以下代码中选择大于10的元素实际返回范围对象，而不是数组。

数字范围

数字范围非常常用，这些数字范围的类型为int。数字范围的一些示例如下所示 -

// Example 1 
foreach (value; 3..7)  
// Example 2 
int[] slice = array[5..10];

Phobos范围

与结构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
ForwardRange
BidirectionalRange
RandomAccessRange
OutputRange

InputRange

最简单的范围是输入范围。其他范围在它们所基于的范围之上带来了更多要求。 InputRange需要三个函数 -

empty - 指定范围是否为空; 当范围被认为是空的时，它必须返回true; 否则是假的。
front - 它提供对范围开头元素的访问。
popFront() - 它通过删除第一个元素从一开始缩短范围。

例子 (Example)

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时，会产生以下结果 -

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

ForwardRange

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

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时，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

BidirectionalRange还在ForwardRange的成员函数上提供了两个成员函数。 back函数与front类似，提供对范围的最后一个元素的访问。 popBack函数类似于popFront函数，它从范围中删除最后一个元素。

例子 (Example)

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时，会产生以下结果 -

[3, 2, 1]

无限RandomAccessRange

与ForwardRange相比，还需要opIndex（）。此外，在编译时将已知的空函数的值设置为false。下面给出了一个简单的例子，正方形范围如下所示。

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时，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，还需要opIndex（）和length。在使用前面使用的Fibonacci系列和Squares Range示例的详细示例的帮助下解释了这一点。此示例适用于普通D编译器，但不适用于在线编译器。

例子 (Example)

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时，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

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（范围，元素）操作。 put（）是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。一个简单的例子如下所示。

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时，会产生以下结果 -

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