C++ 基于范围的 for 循环（for-each）

在课程《数组与循环》中，我们展示了如何利用 for 循环并以循环变量作为下标来遍历数组元素。下面是一个类似示例：

#include <iostream>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector fibonacci { 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89 };

    std::size_t length { fibonacci.size() };
    for (std::size_t index { 0 }; index < length; ++index)
       std::cout << fibonacci[index] << ' ';

    std::cout << '\n';

    return 0;
}

尽管传统 for 循环灵活且功能强大，却容易出错：可能发生差一错误，也会遇到符号转换警告（见课程 16.7《数组、循环与符号难题解决》）。

由于“从头到尾顺序遍历容器”极为常见，C++ 提供了另一种 for 循环——基于范围的 for 循环（range-based for loop，也称 for-each 循环）。它无需显式下标即可遍历容器，语法更简单、更安全，且适用于 C++ 中所有常见数组类型（包括 std::vector、std::array 以及 C 风格数组）。

基于范围的 for 循环

语法如下：

for (element_declaration : array_object)
    statement;

循环执行时，会依次遍历 array_object 的每个元素。每次迭代，当前元素的值被赋给 element_declaration 中声明的变量，随后执行 statement。

为获得最佳效果，element_declaration 的类型应与数组元素类型一致，否则会发生类型转换。

下面用基于范围的 for 循环打印 fibonacci 的所有元素：

#include <iostream>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector fibonacci { 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89 };

    for (int num : fibonacci)           // 遍历数组，把每个值复制到 num
       std::cout << num << ' ';         // 打印 num

    std::cout << '\n';

    return 0;
}

输出：

0 1 1 2 3 5 8 13 21 34 55 89

注意：我们既未使用数组长度，也未显式下标。

工作机制详解

该循环会依次遍历 fibonacci 的所有元素。

第一次迭代：num 获得首元素值 0，打印 0。
第二次迭代：num 获得第二个元素值 1，打印 1。
依次类推，直到遍历完所有元素，循环结束，程序继续执行（打印换行并返回 0）。

关键洞见
element_declaration（上例中的 num）并非下标，而是“当前元素的值”。
由于 num 被赋值为元素值，这意味着元素被复制（对某些类型可能代价高昂）。

最佳实践
遍历容器时，优先使用基于范围的 for 循环，而非传统 for 循环。

空容器的处理

若被遍历容器为空，循环体不会执行：

#include <iostream>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector empty { };

    for (int num : empty)
       std::cout << "Hi mom!\n";

    return 0;
}

程序无输出——抱歉，妈妈！

使用 `auto` 进行类型推导

由于 element_declaration 应与元素类型一致，可用 auto 让编译器自行推导，避免重复书写类型，也能防止误输：

#include <iostream>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector fibonacci { 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89 };

    for (auto num : fibonacci)          // 编译器推导出 num 为 int
       std::cout << num << ' ';

    std::cout << '\n';

    return 0;
}

最佳实践
基于范围的 for 循环中使用 auto 进行类型推导。

额外好处：若元素类型后来改变（如从 int 变为 long），auto 会自动同步，避免类型转换。

避免元素拷贝：使用引用

考虑以下示例，遍历 std::string 数组：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector<std::string> words{ "peter", "likes", "frozen", "yogurt" };

    for (auto word : words)
        std::cout << word << ' ';

    std::cout << '\n';
}

每次迭代都会把 std::string 元素复制到 word，而 std::string 拷贝开销高。我们只需读取值，无需拷贝。可以改用引用：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector<std::string> words{ "peter", "likes", "frozen", "yogurt" };

    for (const auto& word : words)      // word 为 const 引用
        std::cout << word << ' ';

    std::cout << '\n';
}

word 被绑定到当前元素，无需拷贝即可访问其值。若引用为非 const，还可修改元素。

何时使用 `auto` / `auto&` / `const auto&`

需求	推荐写法
需要修改元素副本	`auto`
需要修改原元素	`auto&`
只需查看原元素	`const auto&`

许多开发者建议 始终使用 const auto&，以免未来元素类型变为“复制昂贵”时产生性能问题。

示例：

std::vector<std::string_view> words{ "peter", "likes", "frozen", "yogurt" };
for (auto word : words)           // 通常 string_view 按值传递，看似合理

若以后改为 std::vector<std::string>：

std::vector<std::string> words{ "peter", "likes", "frozen", "yogurt" };
for (auto word : words)           // 编译正常，但会复制昂贵的 std::string

此时循环仍能编译运行，却会默默产生拷贝开销！

两种避免方案：

明确指定元素类型为 std::string_view，以后若改为不可转换类型则编译报错；若可转换则静默转换，但可能效率不佳。
在基于范围的 for 循环中使用 const auto&，即使元素类型变为昂贵类型，也不会产生拷贝。

最佳实践
基于范围的 for 循环中，按以下规则声明元素：

要修改副本：auto
要修改原元素：auto&
其余情况（只读）：const auto&

与其他标准容器配合

基于范围的 for 循环适用于多种数组类型：非退化 C 风格数组、std::array、std::vector、链表、树、映射等。我们尚未介绍这些类型，只需记住其通用性：

#include <array>
#include <iostream>

int main()
{
    std::array fibonacci{ 0, 1, 1, 2, 3, 5, 8, 13, 21, 34, 55, 89 };

    for (auto number : fibonacci)
        std::cout << number << ' ';

    std::cout << '\n';
}

高级读者

基于范围的 for 循环不适用于退化的 C 风格数组，因为需要长度信息，而退化数组不含长度。
也不适用于枚举类型，课 17.6 将给出解决方案。

获取当前元素下标

基于范围的 for 循环不直接提供下标，因为某些可迭代结构（如 std::list）不支持索引。

但由于循环永远顺序遍历且不会跳过元素，可手动维护计数器。不过，若需下标，通常应考虑改用传统 for 循环。

C++20 逆向遍历

基于范围的 for 循环只支持正向遍历。C++20 前需用传统循环。C++20 起，可用 Ranges 库的 std::views::reverse 创建反向视图：

#include <iostream>
#include <ranges>
#include <string_view>
#include <vector>

int main()
{
    std::vector<std::string_view> words{ "Alex", "Bobby", "Chad", "Dave" };

    for (const auto& word : std::views::reverse(words))
        std::cout << word << ' ';

    std::cout << '\n';
}

输出：

Dave Chad Bobby Alex

Ranges 库尚未介绍，先当作“魔法”即可。

小测验

问题 1
定义 std::vector 并初始化如下姓名："Alex"、"Betty"、"Caroline"、"Dave"、"Emily"、"Fred"、"Greg"、"Holly"。提示用户输入姓名，并用基于范围的 for 循环判断输入是否在数组中。

示例运行：

Enter a name: Betty
Betty was found.
Enter a name: Megatron
Megatron was not found.

提示：用 std::string 保存用户输入；std::string_view 复制开销小。

[显示解答]

问题 2
修改问题 1 的答案，将判断逻辑封装为函数模板 isValueInArray()，接收 std::vector 与待查值，返回布尔结果。从 main() 调用该模板。

提醒：

使用模板实参推导时，不会执行类型转换以匹配模板形参；
显式指定模板实参时，会执行类型转换。