C++ range-v3 库：'take'-ing 前 3 个完美数字工作并停止； 'take'-ing 前 4 不会在 4 之后停止

Question

据我了解，range-v3 库的视图操作（目前需要 C++17，但要成为 C++20 中 STL 的正式部分）提供了可链接的类似 STL 的算法，这些算法是延迟评估的。作为一个实验，我创建了以下代码来评估前 4 个完美数字：

#include <iostream>
#include <range/v3/all.hpp>

using namespace std;
int main(int argc, char *argv[]) {
    auto perfects = ranges::view::ints(1)
                    | ranges::view::filter([] (int x) {
                        int psum = 0;
                        for (int y = 1; y < x; ++y) {
                            if (x % y == 0) psum += y;
                        }
                        return x == psum;})
                    | ranges::view::take(3);
    std::cout << "PERFECT NUMBERS:" << std::endl;
    for (int z : perfects) {
        std::cout << z << std::endl;
    } 
    std::cout << "DONE." << std::endl;
}

代码以可能无限范围的数字 (ranges::view::ints(1)) 开头，但由于视图算法以 ranges::view::take(3) 结尾，它应该在找到通过过滤算法的前三个数字后停止（用于过滤的蛮力算法出完美的数字，故意不那么有效）。由于前三个完美数字 —— 6、28 和 496 —— 相当小，我希望这段代码能够快速找到它们，打印“DONE”。并终止。这正是发生的事情：

coliru -- taking 3 perfect numbers works just fine

但是，假设我想打印前 4 个完全数字，它们仍然很小——6、28、496 和 8128。打印 8128 后程序没有停止，最终不得不终止；大概是徒劳地试图计算第五个完美数，33550336，这超出了这种蛮力算法的有效查找能力。

coliru -- taking 4 perfect numbers tries to take 5+

这对我来说似乎不一致。如果两个测试都失败了，我会理解的（结论是我误解了 range-v3 视图算法的惰性评估），但是 take(3) 成功并停止而 take(4) 对我来说似乎不是一个错误，除非我理解错了。

我已经在 wandbox 上使用多个编译器进行了尝试，它似乎是持久的（尝试过 clang 6.0.1 和 7.0.0，g++ 8.1.0 和 8.2.0）。至少在我最初发现问题的本地计算机上，使用的是 range-v3 的 0.3.6 版本，但我不确定 coliru 和 wandbox。

wandbox link

Answer 1

包含n 元素的镜头视图具有n + 1 有效的迭代器值：n 对应于范围内的元素，以及n + 1st 结束迭代器。它旨在迭代镜头视图必然形成每个n + 1 迭代器 - 实际上，提取由镜头视图的end 迭代器调整的底层迭代器值以执行额外的计算很有用。

take_view 不知道它正在适应的范围是一个过滤器，或者您的过滤器谓词非常昂贵 - 它只是假设您的谓词是 O(1)，因为它是提供 O(1) 所必需的迭代器操作。 (Although we did forget to make that complexity requirement explicit in C++20.) 这个案例很好地说明了为什么我们有复杂性要求：如果正在适应的范围的迭代器不满足标准的 O(1) 复杂性要求，则视图无法满足其复杂性保证并且对性能进行推理变得不可能。

Answer 2

道歉：

我（部分）回答了我自己的问题，因为我认为我已经从机械上了解了这里发生的事情，并且因为额外的细节不适合发表评论。我不确定礼节，所以如果这会更好地作为问题的编辑 --- 还有一个悬而未决的问题 为什么 图书馆是这样设计的 --- 请建议在 cmets 中，我很乐意将它移到那里。

过滤直到找到结束迭代器

我不太了解 range-v3 的内部细节，所以我可能没有完全正确的术语。简而言之，这里没有不一致的行为。当在调用ranges::view::filter（或ranges::view::remove_if）之后调用ranges::view::take 时，生成的视图对象必须在迭代期间的某个点设置结束迭代器以跳出for 循环。如果我考虑过，我会想象基于范围的 for 循环仍然会扩展为类似

for (auto it = std::begin(perfects); it != std::end(perfects); ++it) {
    ...
}

（顺便说一句，在我的示例中行为相同）并且在它找到所需数量的元素之后，在随后的operator++ 调用it 的开头，会有特殊的逻辑来产生结果等于std::end(perfects)，因此循环退出而不做任何额外的工作。但是，从实现的角度来看，这是有道理的，结束迭代器实际上对应于 filter/remove_if 视图返回的下一个元素。 filter 谓词继续循环遍历ranges::view::ints(1)，直到找到谓词返回true 的一个；大概这将成为结束迭代器，因为它没有在范围 for 循环中打印。

以下代码提供了一个简单的演示。这里有两个可配置整数n和m，filter中的谓词函数对x <= n返回true，false对n < x < n+m返回true，true对x >= m返回：

#include <iostream>
#include <range/v3/all.hpp>

using namespace std;
int main(int,char**) {
    int n = 5;
    int m = 3;
    auto perfects = ranges::view::ints(1)
                    | ranges::view::filter([&n,&m] (int x) {
                        std::cout << "Checking " << x << "... ";
                        if (x <= n) {
                            return true;
                        } else if (x <= n + m) {
                            std::cout << std::endl;
                            return false;
                        }
                        return true;})
                    | ranges::view::take(n);
    std::cout << "First " << n << " numbers:" << std::endl;
    for (int z : perfects) {
        std::cout << " take it!" << std::endl;
    }
    std::cout << "DONE." << std::endl;
}

您可以在此处为n 和m 的不同值运行此代码：wandbox。默认输出如下：

First 5 numbers:
Checking 1...  take it!
Checking 2...  take it!
Checking 3...  take it!
Checking 4...  take it!
Checking 5...  take it!
Checking 6... 
Checking 7... 
Checking 8... 
Checking 9... DONE.

（我没有重命名变量perfects；显然它不再是一组完美数字了）。即使在取得第一个n 成功之后，也会调用lambda 谓词，直到它返回true。由于返回 true 的整数 9 没有被打印出来，它必须是 std::end(perfects) 打破了范围 for 循环。

对我来说剩下的谜团是它为什么这样做。这不是我所期望的。它可能导致意外的行为（例如，如果 lambda 函数体不是纯的并改变捕获的对象）并且它可能会产生很大的性能影响，如原始示例所示，它必须执行大约 10^15 模运算才能达到整数 33550336。