Range-v3ライブラリとRangeライブラリを組み合わせたコードの挙動がわかりません

Question

前提・実現したいこと

C++20にてRangeライブラリが導入されたので，Range-v3ライブラリを組み合わせて使用したのですが，良くわからない挙動をしたのでそこについて解説してほしいです．

該当のソースコード

#include <iostream>
#include <ranges>
#include <range/v3/view/concat.hpp>
#include <range/v3/view/join.hpp>
#include <range/v3/view/cache1.hpp>

int main() {
    auto std_rng = std::ranges::views::iota(0,5) | std::ranges::views::transform([](const auto a){return std::ranges::views::iota(0,a);});
    auto v3_rng = std_rng | ranges::views::cache1 | ranges::views::join;
    std::cout << ranges::views::concat(v3_rng, v3_rng, v3_rng) << std::endl;
}

[0,0,1,0,1,2,0,1,2,3,0,0,1,0,1,2,0,1,2,3,0,0,1,0,1,2,0,1,2,3]

Wandbox

発生している問題

思い通りにプログラムは出力しているのですが，「ranges::views::cache1」の部分が気になっています．
実験を始めた当初はこれを除いた状態でコンパイルしていたのですが，それだと失敗してしまいました．
適当に試してこれを書き加えたところ，たまたま動いたのです．

試したこと

Range-v3 User Manualを確認すると，「ranges::views::cache1」は最新の要素をキャッシュする役割があるようなのですが，これを書き加えたところで何の意味があるのでしょうか．
誰か詳しい方，教えてくださると嬉しいです．

補足情報（FW/ツールのバージョンなど）

Wandbox gcc HEAD 12.0.0

Answer 1

前置き

標準の ranges 及び range-v3 はコンセプトが複雑に組み合わさってできているライブラリのため、ところどころの説明を省いています。

起こっていること

根本的な問題になっているのは、std 側の view が range-v3 側の view としては認識されていないことです。
具体的には、std 側のコンセプト std::ranges::view は

namespace std::ranges {

template<class T>
inline constexpr bool enable_view = derived_from<T, view_base>;

template<class T>
concept view = range<T> && movable<T> && default_­initializable<T> && enable_view<T>;

}  // namespace std::ranges

のようになっています。
std::ranges::view であるためには std::ranges::enable_view が true である必要があり、明示的な特殊化が無ければ std::ranges::view_base を継承しているかによって決まります。

対して range-v3 側のコンセプト ranges::view_ は

namespace ranges {

namespace ext {

template<class T>
struct enable_view : std::is_base_of<view_base, T> {};

}  // namespace ext

template<class T>
inline constexpr bool enable_view = ext::enable_view<T>::value;

template<class T>
concept view_ = range<T> && semiregular<T> && enable_view<T>;

}  // namespace ranges

のようになっています。
同じ名前で同じ仕組みになっていますが、両者は名前空間が別れており、完全に別々のものです。

そのため std_rng は std 側から見れば view でも range-v3 側から見ればただの range でしかありません。

ここで、 view とはそもそも要素の列を(基本的には)参照するだけの軽量なラッパーとして設計されているために、 view ではない range の右辺値を扱うことができません。

※ C++20 には新しく std::ranges::owning_view という、 range の右辺値を扱えるようにする view が入ったため、 std 側では事情がやや異なります。

// NG
auto rng = std::vector{3, 1, 4} | ranges::views::transform(std::identity{});

// OK
auto vec = std::vector{3, 1, 4};
auto rng = vec | ranges::views::transform(std::identity{});

質問のコードで std_rng をそのまま ranges::views::join に渡そうとするとエラーになりますが、これは ranges::views::join が対象の range に要求する制約 ranges::views::joinable_range を満たせないことが原因になります。

namespace ranges::views {

template<class Rng>
concept joinable_range__concept_ =
    input_range<range_reference_t<Rng>> &&
    (std::is_reference<range_reference_t<Rng>>::value ||
        view_<range_reference_t<Rng>>);

template<class Rng>
concept joinable_range =
    viewable_range<Rng> && input_range<Rng> && joinable_range__concept_<Rng>;

}  // namespace ranges::views

ranges::views::joinable_range の定義を上に示しましたが重要なのは std::is_reference<range_reference_t<Rng>>::value || view_<range_reference_t<Rng>> の部分で、 range_reference_t<Rng> を RR とすれば、RR が input_range を満たすことの他に **「RR が参照型である」または「RR が ranges::view_ を満たす」**必要があります。
そのため std::views::transform に渡しているラムダ式が返すものが std の view ではなく range-v3 の view であれば、後者の制約が満たされコンパイルが通ります。

本命の ranges::views::cache1 ですが、これは view や参照可能な range を受け取り、走査した結果を自身に保存しつつそれに対する参照をイテレータによって提供します。
これにより std::ranges::iota_view<int, int> がキャッシュされ、 std_rng | ranges::views::cache1 の RR が std::ranges::iota_view<int, int>& という参照となるため先程の制約のうち前者を満たします。

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

int main() {
  // RR = std::ranges::iota_view<int, int>
  // 参照型？→No
  // view_ ？→No
  // => ERROR
  auto std_rng = std::views::iota(0, 5) | std::views::transform([](int a) { return std::ranges::views::iota(0, a); });
  // auto x = std_rng | ranges::views::join;

  // RR = ranges::iota_view<int, int>
  // 参照型？→No
  // view_ ？→Yes
  // => OK
  auto ok = std::views::iota(0, 5) | std::views::transform([](int a) { return ranges::views::iota(0, a); });
  auto y = ok | ranges::views::join;

  // RR = std::ranges::iota_view<int, int>&
  // 参照型？→Yes
  // view_ ？→No
  // => OK
  auto z = std_rng | ranges::views::cache1 | ranges::views::join;
}

対処

最初に言及をした通り、根本的な問題は std の view と range-v3 の view に関係性が何もないことです。なので、 std の view が range-v3 の view として見做されるよう、 enable_view を特殊化することで、質問のコードは問題なく動作します。

#include <iostream>
#include <ranges>
#include <range/v3/view/concat.hpp>
#include <range/v3/view/join.hpp>
#include <range/v3/view/cache1.hpp>

template <class V>
    requires std::ranges::enable_view<V>
inline constexpr bool ranges::enable_view<V> = true;

int main() {
    auto std_rng = std::ranges::views::iota(0,5) | std::ranges::views::transform([](const auto a){return std::ranges::views::iota(0,a);});
    auto v3_rng = std_rng | ranges::views::join;
    std::cout << ranges::views::concat(v3_rng, v3_rng, v3_rng) << std::endl;
}

Comments

[UMA821]

回答ありがとうございます！
とても分かりやすい説明で疑問点が色々と解消されました．
参考になります．