【C++ 11】（二）基于范围的for循环

1. 概要说明

基于范围的for循环（Range-based for loop）是C++11引入的一种新的循环结构，基于范围的for循环可以遍历支持迭代器的集合，如std::vector、std::list等，也可以遍历支持下标操作的集合，如std::array和普通数组。掌握基于范围的for循环，它可以方便地操作集合中的元素，而无需手动管理索引或迭代器，将有助于你编写出更高效、更优雅的C++代码。

2 如何使用基于范围的for循环

2.1 语法格式

基于范围的for循环的语法形式如下：

for (for-range-declaration : for-range-initializer) {
    // 循环体
}

在这里，for-range-declaration是一个迭代变量，用于表示每一次迭代中从for-range-initializer中获取的元素的值或引用，for-range-initializer是一个表示容器或数组的表达式。迭代变量可以直接声明成for-range-initializer中元素的类型，或者声明成auto类型，使代码更加简洁。

2.2 迭代变量

2.2.1 基础类型

一般情况下，范围for循环内的迭代变量的类型应该声明成被遍历的数据、容器集合中的数据元素的类型。如下：

int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};

for (int i : arr) {
    std::cout << i << " ";
}

std::vector<float> vec = {1.0f, 2.0f, 3.0f, 4.0f, 5.0f};

for (float i : vec) {
    std::cout << i << " ";
}

2.2.2 自动类型推断

范围fo循环可以和C++11的别一个特性：自动类型推断（auto）一起使用，使代码更加简洁。一般情况下，迭代变量可声明成auto、 auto &（左值引用类型）、auto &&（右值引用类型）、const auto &（常量引用类型）。

2.2.2.1 auto 类型

使用auto类型的迭代变量进行遍历集合时，实际上迭代变量只是集合中数据元素的拷贝。在这种情况下，循环体中不论怎么修改迭代变量的数据，都不会影响到原有集合中的数据元素。示例如下：

vector<int> v{1,2,3,4,5};

for(auto i : v) {
    i++;
    cout << i << " "; // 输出2 3 4 5 6
}

for(vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end(); it++){
    cout << *it << " "; // 输出1 2 3 4 5
}

2.2.2.2 auto &类型

使用auto &类型的迭代变量进行遍历时，迭代变量是一个非常量左值引用，它是集合中数据元素的引用，如果对迭代变量进行修改，会直接影响到集合数据元素本身。示例如下：

vector<int> v{1,2,3,4,5};

for(auto& i : v) {
    i++;
    cout << i << " "; // 输出2 3 4 5 6
}

for(vector<int>::iterator it = v.begin(); it != v.end(); it++){
    cout << *it << " "; // 输出2 3 4 5 6
}

2.2.2.3 auto &&类型 

若for-range-initializer集合返回一个临时对象（将死值），由于临时对象不能绑定在非常量左值引用，因此使用auto &声明迭代变量时会发生编译错误。这个时就需要使用 auto && 非常量右值引用声明迭代变量。示例如下：

vector<bool> vec {true, false, true, false};

// for (auto &a : vec) {  // 编译报错
for (auto &&a : vec) {    // 编译通过
    cout << a << " ";
}

输出：

1 0 1 0

这个时候，我们会提出疑问为什么vetor<bool> 类型的集合，只能使用auto &&类型的迭代变量访问而不能使用auto &类型的迭代变量访问呢？这是因为vector<bool>集合中的元素vector<bool>::reference类型，它不是一个左值，这也是使用auto &时会编译出错的原因。

vector<bool> vec {true, false, true, false};

bool &v =  vec[0]; // 编译报错, vec[0]不是一个左值
bool *w = &vec;    // 编译报错，无法将一个临时变量地址绑定给指针

auto &&u = vec[0]; // 编译通过，非常量右值引用

关于右值引用的详细说明，请参考【C++ 11】（八）右值引用

2.2.2.4 const auto&类型

在auto &的前面加上了const修饰，意味着迭代变量是集合中数据元素的引用，但是它是只读的不能被修改。示例如下：

vector<int> v{1,2,3,4,5};

for(const auto& i : v) {
    i++;              // 编译出错
    cout << i << " ";
}

 

3.使用注意 

2.1 循环中修改集合中元素个数

范围for循环内进行遍历操作时，如果修改了集合中元素的个数，那么迭代器将会无效。

如下例子中，在集合追加一个元素后，迭代器会无效，输出结果自然就会是错误的。

#include <vector>
#include <iostream>

int main(void) {
    std::vector<int> v{ 5, 5, 0, 5, 1 };

    for(auto&& i : v) {
        std::cout << ' ' << i;
        if (5 == i) {
            v.emplace_back(123); // 追加元素后、迭代器无效
        }
    }
}

 结果：

5 5 -1978514432 -946396368 1

2.2 迭代器的生命周期结束无效

迭代器（对象）的生命周期结束后，此时遍历这个对象，也会输出不正确结果甚至发生崩溃现象。

例子如下：

#include <initializer_list>
#include <iostream>
#include <vector>

struct something
{
	std::vector<int> v;

	something(const std::initializer_list<int>& l ) : v(l) {}
	std::vector<int>& get_vector() { return v; }
	~something() noexcept { std::cout << "destructor" << std::endl; }
};

int main()
{
	for( auto e : something { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,0 }.get_vector() )
	{ 
		std::cout << e; // something是临时对象、此时它的的生命周期已结束
	}
	std::cout << std::endl;
}

4. 结束语

范围for循环是C++11引入的一个强大的新特性，它大大简化了遍历数组和容器的代码，使代码更加简洁，更具可读性。掌握范围for循环，将有助于你编写出更高效、更优雅的C++代码。