走进C++ （十八） range based for

 

熟悉C#或者python的人都知道在C#和python中存在一种for的使用方法不需要明确给出容器的开始和结束条件，就可以遍历整个容器。C++11吸取了他们的优点，引入了这种方法也就是基于范围的For（Range-Based-For）。

 

值得一说的是，如果没有range-based-for，我们还是可以遍历容器的。它是对for的扩展。

 

比如C98时候我们可以这样：

 

int arr[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };for (int i = 0; i < 10; i++)  cout << arr[i];

 

或者遍历容器，这样：

 

std::vector<int> vec {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};for (std::vector<int>::iterator itr = vec.begin(); itr != vec.end(); itr++)    std::cout << *itr;

 

不过有了C++11， 我们就可以这样：

 

std::vector<int> vec {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};for (auto n :vec)    std::cout << n; int arr[10] = { 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10 };for (auto n : arr)    std::cout << n;

 

乍一看，是不是显得代码非常简洁？确实，这可能也是为啥引入这个概念。不过我觉得range-based-for最主要的作用可能就是“一统江湖”。有了它，不管你是数组，map，vector还是其他容器， 都可以用它来遍历。

 

下面看看它的语法以及解释：

 

//语法属性(可选) for ( 范围声明 : 范围表达式 ) 循环语句//解释{  auto && __range = 范围表达式 ;  for (auto __begin = 首表达式, __end = 尾表达式 ; __begin != __end; ++__begin) {    范围声明 = *__begin;    循环语句  }}

 

range-based-for看起来那么美好，其实在应用的时候还是要有一些需要注意的事情：

 

1. range-base-for 默认是只读遍历，也就是说下边的例子

    

  std::vector<int> vec {1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};  cout << "修改前" << endl;  for (auto n :vec)    std::cout << n++;   cout << endl;  cout << "修改后" << endl;  for (auto j : vec)    std::cout << j;
// 输出：修改前12345678910修改后12345678910

 

这也许并不是我们想要的，如果要修改就要将遍历的变量声明为引用型。

 

也就是将代码改成这样：

 

for (auto& n :vec)    std::cout << n++;

 

2. 在遍历容器的时候，auto自动推导的类型是容器的value_type类型，而不是迭代器。

 

之前提过range-based-for的实现方式，其中有范围表达式是自动推导的

 

  auto && __range = 范围表达式 ;

 

举个例子，如果你遍历的容器是map，那么value_type是std::pair，也就是说val的类型是std::pair类型的，因此需要使用val.first,val.second来访问数据。

 

std::map<string, int>  map = { { "a", 1 }, { "b", 2 }, { "c", 3 } };  for (auto &val : map)    cout << val.first << "->" << val.second << endl;

 

此外，使用基于范围的for循环还要注意一些容器类本身的约束，比如set的容器内的元素本身有容器的特性就决定了其元素是只读的，哪怕的使用了引用类型来遍历set元素，也是不能修改器元素的，看下面例子：

 

set<int> ss = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };  for (auto& n : ss)    cout << n++ << endl;

 

3. 不能迭代的时候修改容器， 下面的代码运行时候可能崩溃。

 

vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 }; int main(){  for (auto &n : vec)  {    cout << n << endl;    vec.push_back(7);  }}

 

由于在遍历容器的时候，在容器中插入一个元素导致迭代器失效了，因此，基于范围的for循环和普通的for循环一样，在遍历的过程中如果修改容器，会造成迭代器失效。

 

4. 循环陷阱

 

说这个问题之前，还是要把它的实现再次粘贴过来（C++17以前）：

 

{  auto && __range = 范围表达式 ;  for (auto __begin = 首表达式, __end = 尾表达式 ; __begin != __end; ++__begin) {  范围声明 = *__begin;  循环语句  }}

 

举个例子：

 

#include <iostream>#include <string>
using namespace std;
struct MyClass{    string text = "MyClass";
    string& getText(){        return text;    }};
int main(){    for (auto ch : MyClass().text)    {        cout << ch;    }    cout << endl;}

 

输出结果就是

 

MyClass

 

但是我们把代码改成下边的样子， 结果什么都不会输出，程序直接退出

 

    for (auto ch : MyClass().getText())    {        cout << ch;    }

 

 

为什么会出现这样的现象呢？答案就在于range-based-for实现的时候有这样一句话：

 

  auto && __range = 范围表达式 ;

 

如果“范围表达式”返回临时量，则其生存期被延续到循环结尾，如绑定到转发引用 __range 所示，要注意的是“范围表达式”中任何临时量生存期都不被延长。

 

for (auto& x : foo().items()) { /* .. */ } // 若 foo() 返回右值则为未定义行为

 

原始的例子中，range_expression是 "MyClass().text"，MyClass()是临时对象，同时 "MyClass()" 这个表达式是右值。所以，"MyClass().text" 这个表达式也是右值，"MyClass().text" 这个对象是临时对象中的一部分。所以，在 "auto && __range = range_expression;" 这个语句中，auto会被推导为 "std::string"。初始化右值引用为临时对象的一部分时，可以延长整个临时对象的生存期，在引用被销毁时临时对象才会被销毁。所以for循环可以正常执行。

 

但是在修改过后，range_expression是 "MyClass().getText()"。同样地，MyClass()是临时对象，"MyClass()" 这个表达式是右值。但是 "getText()" 的返回类型为 "string&"，所以，"MyClass().getText()" 这个表达式是左值。所以，在 "auto && __range = range_expression;" 这个语句中，auto会被推导为 "string &"，语句等价于 "string & __range = range_expression;" 。虽然"MyClass().getText()" 这个对象是临时对象中的一部分，但是在初始化非const的左值引用时，不会延长临时对象的生存期，所以在这个初始化语句结束的同时MyClass()这个临时对象就被销毁了，__range成为了野引用，所以后面的循环语句可能会出现内存错误。

 

要解决这个问题，可以利用C++20 “初始化语句”变通解决：

 

for (T thing = foo(); auto& x : thing.items()) { /* ... */ } // OK

 

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