C++ 中的 std::transform_reduce

在本文中，我们将讨论 C++ 中的 std::transform_reduce 及其语法、实现和属性。

std::transform_reduce 简介

std::transform_reduce 在 C++17 标准中的引入是现代 C++ 编程的一个重要转折点。该方法隐藏在标准模板库 (STL) 中，它将序列上的归约和转换操作结合起来，为处理复杂数据处理任务提供了更有效的方式。与之前的版本不同，std::transform_reduce 结合了 std::transform 和 std::reduce 的功能，消除了对序列独立迭代和后续归约过程的需求。除了简化编程语言之外，这种合并还为可能的性能改进创造了机会，因为标准库实现可以以某些方式优化过程。

std::transform_reduce 的核心功能是它能够协调对系列中每个元素的转换，然后平滑地进行归约操作以将输出减少到单个值。其语法需要迭代过程来指定输入序列、归约过程的初始值以及转换和归约的二进制操作，轻松地反映了这种双重能力。

开发人员可以轻松处理从查找数据集中最大或最小值到计算总和和内积的广泛任务，这得益于其灵活的架构。由于其多功能性，std::transform_reduce 是当代 C++ 程序员的重要工具，为各种数据处理问题提供了简洁且高效的解决方案。

语法

它具有以下语法：

示例

让我们举一个例子来说明 C++ 中的 std::transform_reduce 方法。

输出

Sum of squares: 55

说明

• 应用程序代码的开头包含了输入/输出操作所需的头文件、用于元素动态数组的 vector 定义、用于标准数值算法的 numeric 以及用于 std::transform_reduce 等标准算法的 algorithm。
• 在 main() 方法中，定义了一个名为 numbers 的 std::vector 并用整数序列 {1, 2, 3, 4, 5} 进行初始化。这个信息向量代表了将用于转换和归约过程的信息集。
• 接着调用 std::transform_reduce 来获取 numbers 向量中元素平方的和。在转换过程中（（[](int x) { return x * x; }）），该函数接收作为输入的迭代器，这些迭代器表示要处理的元素范围（numbers.begin() 到 numbers.end()）、归约的初始值（0）、用于加法的二进制操作（std::plus<>()）以及用于将每个元素平方的一元操作（lambda 函数）。
• 最后，使用 std::cout 将计算结果（即平方的总和）打印到标准输出。

复杂度分析

时间复杂度

影响 std::transform_reduce 时间复杂度的主要变量包括输入序列的大小以及转换和归约操作的复杂性。转换操作在迭代所提供的序列的每个元素时完成，增加了 O(N) 的时间复杂度，其中 N 是生成输入序列的长度。

转换后的组件也经过消除过程，这增加了 O(N) 的时间复杂度。因此，可以使用 O(N) 来估计 std::transform_reduce 的总体时间复杂度，其中 N 是每个输入序列的长度。

空间复杂度

空间复杂度主要由存储输入序列、转换后的组件以及归约过程中任何中间结果所需的空间量决定。std::transform_reduce 的空间复杂度为 O(1)（常量），因为它直接在输入序列上操作，不需要与输入大小成比例的额外存储。另一方面，如果转换过程（例如通过过滤或映射）创建了其他元素，空间复杂度可能会随之增加。

std::transform_reduce 的属性

Std::transform_reduce 方法的几个属性如下：

1. 功能： 使用 std::transform_reduce 时，序列的元素可以同时进行转换和归约。元素对经过定义的二进制操作，然后经过指定的一元操作来转换结果，并经过进一步的二进制操作来组合转换后的结果。
2. 可选的二进制操作： 一个二进制函数，指定在两个输入范围组件之间执行的操作。如果未指定，默认使用 std::plus 进行加法。
3. 可选的一元操作： 一个一元函数，用于修改每个元素对的二进制操作的输出。如果未提供，默认使用恒等函数。
4. 起始点（可选）： 它是归约过程的起始点。如果没有提供，归约将从第一对元素上的二进制操作结果开始。
5. 可定制性： 可以自由定义要执行的转换和归约，因为二进制和一元操作可以是自定义函数或函数对象。
6. 有效性： 在处理大型数据集时，与单独应用 std::transform 和 std::reduce 相比，std::transform_reduce 可能更有效。通过将所有操作合并为对输入序列的一次遍历，这可能减少内存访问开销并改善缓存局部性。
7. 并行性： 标准允许 std::transform_reduce 实现并行执行转换和归约过程，这可能会提高多核平台的性能。是否以并行方式运行取决于实现，尽管这可能无法保证。
8. 支持各种数据格式： 对于定义了指定操作的任何数据类型，都可以使用 std::transform_reduce。只要存在所需的操作，它们就可以用于用户定义的类型以及数值类型。
9. 错误处理： 与其他标准算法一样，Std::transform_reduce 不检查输入范围的边界。如果未提供起始值，调用者有责任验证传递的迭代器范围是否有效且不为空。

结论

总之，这段代码例证了 std::transform_reduce 如何轻量且富有表现力，通过将序列上的转换和归约操作相结合，从而实现有效的信息处理。对于计算内积、查找数据集中的极值或对项目求和等任务，std::transform_reduce 提供了一种高效且富有表现力的替代方案。

此外，std::transform_reduce 的效率以及在许多平台和实现之间的兼容性都通过其集成到标准模板库 (STL) 中得到了保证。这简化了开发过程，并通过允许标准库实现的潜在改进来提高了数据处理任务的性能。因此，std::transform_reduce 成为 C++ 程序员工具箱中一个重要且高效的工具，使他们能够自信且轻松地应对具有挑战性的数据处理任务。

std::transform_reduce 本质上代表了 C++ 向更具表现力、更有效、更易于访问的编程范式发展的体现。它的问世，表明了为开发人员提供所需工具的承诺，使他们能够编写更易读、更易于管理的代码，而无需牺牲速度。像 std::transform_reduce 这样的算法证明了 C++ 在动态软件开发领域中持续的相关性和灵活性，即使语言在不断改进。