84.范围for

Posted 2023-05-04 codemagiciant

  C++11新标准引入了一种更简单的for语句，这种语句可以遍历容器或其他序列的所有元素。范围for语句(range for statement)的语法形式是：

for (declaration : expression) 
    statement 

  expression表示的必须是个序列，比如用花括号括起来的初始值列表（参见3.3.1节，第 88页）、数组（参见C++ Primer 3.5节，第101页）或者vector或string等类型的对象，这些类型的共同特点是拥有能返回迭代器的begin和end成员（参见3.4节，第95页）。

  declaration定义个变量，序列中的每个元素都得能转换成该变量的类型（参见4.11 节，第141页）。确保类型相容最简单的办法是使用auto类型说明符（参见2.5.2节，第 61页），这个关键字可以令编译器帮助我们指定合适的类型。如果需要对序列中的元素执行写操作，循环变量必须声明成引用类型。

  每次迭代都会重新定义循环控制变量，并将其初始化成序列中的下一个值，之后才会执行statement。像往常样，statement可以是条单独的语句也可以是一个块。所有元素都处理完毕后循环终止。

  之前我们已经接触过几个这样的循环。接下来的例子将把vector对象中的每个元素都翻倍，它涵盖了范围for语句的几乎所有语法特征：

vector<int>= 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9; 
//范围变量必须是引用类型，这样才能对元素执行写操作 
for (auto &r : v)//对于v中的每一个元素
    r *= 2;//将v中每个元素的值翻倍

  for语句头声明了循环控制变量r，并把它和v关联在 起，我们使用关键字auto令编译器为r指定正确的类型。由于准备修改v的元素的值，因此将 r声明成引用类型。此时，在循环体内给r赋值，即改变了r 所绑定的元素的值。

  范围for语句的定义来源千与之等价的传统for语句：

for (auto beg= v.begin(), end= v.end(); beg != end; ++beg) 

    auto &r = *beg;//r必须是引用类型，这样才能对元素执行写操作
    r *= 2;//将v中每个元素的值翻倍

  学习了范围for语句的原理之后，我们也就不难理解为什么在3.3.2节（第90页）强调不能通过范围for语句增加vector对象（或者其他容器）的元素了。在范围for语句中，预存了end(）的值。一旦在序列中添加（删除）元素，end函数的值就可能变得无效了（参见3.4. l节，第98页）。关于这 点，将在9.3.6节（第315页）做更详细的介绍。
参考资料：

C++ Primer

临时范围上的基于范围的for循环[重复]

【中文标题】临时范围上的基于范围的for循环[重复]

【英文标题】：Range-based for loop on a temporary range [duplicate]

【发布时间】：2018-12-28 09:19:58

【问题描述】：

由于 valgrind 中的一些分段错误和警告，我发现这段代码不正确，并且在 for-range 循环中有某种悬空引用。

#include<numeric>
#include<vector>

auto f()
    std::vector<std::vector<double>> v(10, std::vector<double>(3));
    iota(v[5].begin(), v[5].end(), 0);
    return v;


int main()
    for(auto e : f()[5])
        std::cout << e << std::endl;
    return 0;

看起来begin 和end 好像是从一个临时对象中取出并在循环中丢失。

当然，解决办法是做

    auto r = f()[5];
    for(auto e : r)
        std::cout << e << std::endl;

但是，我想知道为什么for(auto e : f()[5]) 是一个错误，以及是否有更好的方法或某种方法来设计f 甚至容器（std::vector）来避免这个陷阱。

使用迭代器循环更清楚为什么会出现这个问题（begin 和 end 来自不同的临时对象）

for(auto it = f()[5].begin(); it != f()[5].end(); ++it)

但在 for-range 循环中，如第一个示例所示，似乎很容易犯此错误。

【问题讨论】：

这段代码的目的是什么：你想用它来实现什么？因为如果它的唯一目的是锯齿状数组初始化，还有更好的方法。

是的，并且有一个 C++20 提案可以部分解决这个问题：open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2017/p0614r1.html

@JHBonarius，什么是“锯齿状数组初始化”？

数组数组的初始化...

【参考方案1】：

我想知道为什么for(auto e : f()[5]) 是一个错误

我只回答这部分。原因是基于范围的 for 语句只是语法糖，大约是：

    auto&& __range = f()[5]; // (*)
    auto __begin = __range.begin(); // not exactly, but close enough
    auto __end = __range.end();     // in C++17, these types can be different
    for (; __begin != __end; ++__begin) 
        auto e = *__begin;
        // rest of body
    

看看第一行。发生什么了？ vector 上的 operator[] 返回对该对象的引用，因此 __range 绑定到该内部引用。但随后临时文件在行尾超出范围，破坏了其所有内部结构，__range 立即成为悬空引用。这里没有生命周期延长，我们从不将引用绑定到临时对象。

在更正常的情况下，for(auto e : f())，我们会将__range 直接绑定到f()，这是绑定对临时对象的引用，这样临时对象的生命周期就会延长到引用的生命周期，这将是完整的 for 语句。

为了增加更多的皱纹，在其他情况下，像这样的间接绑定仍然可以延长生命周期。比如说：

struct X 
    std::vector<int> v;
;
X foo();

for (auto e : foo().v) 
    // ok!

但是，与其尝试跟踪所有这些小案例，不如像宋元耀建议的那样，始终使用带有初始化程序的新 for 语句……

for (auto&& range = f(); auto e : range[5]) 
    // rest of body

虽然在某种程度上这给人一种虚假的安全感，因为如果你这样做了两次，你仍然会遇到同样的问题......

for (auto&& range = f().g(); auto e : range[5]) 
    // still dangling reference

【讨论】：

如果有auto const& __range = f()[5]; // (*)，语法糖会“更好”（对于这个问题）吗？

@alfC 不。同样的结果，只是你得到一个 const 左值引用而不是非 const 右值引用。你肯定想要auto&& 那里，否则你只会得到const 访问权限。

好的，我在想... const& 会延长寿命。至于 const 访问，原则上取决于.begin() 的语义。实际上你是对的。

我质疑“[使用新的初始化程序功能]要好得多”。非常整洁的循环（我认为，这就是基于范围的 for 循环的全部要点）突然变得相当混乱，在我看来，我们已经失去了很多以前获得的基于范围的东西.至于“基于范围的只是...的语法糖”；理解了，我希望它在未来会变成语法糖，用于。

【参考方案2】：

请注意，直接使用临时作为范围表达式是可以的，它的生命周期将被延长。但是对于f()[5]，f() 返回的是临时的，它是在表达式中构造的，它会在构造它的整个表达式之后被销毁。

从 C++20 开始，您可以使用 range-based for loop 的 init-statement 来解决此类问题。

（强调我的）

如果 range_expression 返回一个临时值，则延长其生命周期 直到循环结束，如绑定到右值所示 引用 __range，但注意任何临时的生命周期 range_expression 内没有扩展。

这个问题可以使用 init-statement 解决：

for (auto& x : foo().items())  /* .. */  // undefined behavior if foo() returns by value
for (T thing = foo(); auto& x : thing.items())  /* ... */  // OK

例如

for(auto thing = f(); auto e : thing[5])
    std::cout << e << std::endl;

【讨论】：

酷。初始语句也可以用于正常的 for 循环吗？

好吧，但不要预定义任意类型的辅助变量。

@alfC 我明白你的意思；正常的for循环似乎是不可能的。

例如，它可以接受（通过修改语言）类似于 lambda 捕获的内容，例如for[thing = foo()](auto it = thing.begin();; it != thing.end(); ++it).

@alfC 是的；你可能想为此提出建议。 :)