C++11 新特性之基于范围的for循环

       本文是C++11新特性介绍的第十六部分，涉及到基于范围的for循环相关的新特性。

前言

       C++11提供了一个特殊版本的 for 循环，在很多情况下，它都可以简化数组的处理，这就是基于范围的 for 循环。

Range-Based-For

       熟悉C++98/03的对于for循环就再了解不过了，如果我们要遍历一个数组，那么在C++98/03中的实现方式：

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

       而遍历容器类的For如下：

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;
}

       不管上面哪一种方法，都必须明确的确定for循环开头以及结尾条件，而熟悉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，幸运的是C++11中引入了这种方法也就是基于范围的For（Range-Based-For），用基于范围的For 改写上面两个例子：

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;
}

       可以看到改写后的使用方法简单了很多，代码的可读性提升了一个档次，但是需要注意的在上述对容器的遍历是只读的，也就是说遍历的值是不可修改的，看下面例子：

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;
}

       在上述例子中，我们首先遍历容器的内容，然后给容器内的元素每个都加1，然后再遍历一次容器的内容，示例的输出结果如下：

修改前
12345678910
修改后
12345678910

       可以看到，我们遍历后对容器内元素的加1操作并没有生效，修改后的输出仍然和原来的元素值一样，因为这种遍历方法做的是值拷贝。那么如果要遍历容器内的元素的同时又要修改元素的值该怎么做呢，方法就是将遍历的变量声明为引用类型，看下面例子：

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;
}

       代码的输出结果为：

修改前
12345678910
修改后
234567891011

       可以看到，容器内的元素每个都加了1，两者的区别仅为在修改的时候，将声明的遍历遍历n从auto 声明为auto &，使用基于范围的For循环一定要注意这一点， 基于范围的FOR循环的遍历是只读的遍历，除非将变量变量的类型声明为引用类型。

基于范围的For使用需要注意的细节

       虽然基于范围的For循环使用起来非常的方便，我们不用再去关注for的开始条件和结束条件等问题了，但是还是有一些细节问题在使用的时候需要注意，来看下基于范围的for对于容器map的遍历：

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

       为什么是使用val.first val.second而不是直接输出value呢？ 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，而map中的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。
       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;
}

       上述代码定义了一个set，使用引用类型遍历set中的元素，然后对元素的值进行修改，该段代码编译失败：error C3892: ‘n’ : you cannot assign to a variable that is const。同样对于map中的first元素也是不能进行修改的。
       再来看看假如我们给基于范围的for循环的：冒号都免的表达式不是一个容器而是一个函数，看看函数会被调用多少次？

set<int> ss = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
const set<int>& getSet()
{
    cout << "GetSet" << endl;
    return ss;
}

int main()
{
    for(auto &n : getSet())
    {
        cout << n << endl;
    }
}

       输出为：

GetSet
1
2
3
4
5
6
请按任意键继续. . .

       可以看出， 如果冒号后面的表达式是一个函数调用时，函数仅会被调用一次。
       最后来看看用基于范围的for循环迭代时修改容器会出现什么情况？

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

       上述代码在遍历vector时，在容器内插入一个元素7，运行上述代码程序崩溃了
       究其原因还是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，（有关迭代器失效的问题请参阅C++ primer这本书，写的很详细）也就是说基于范围的For循环的内部实现机制还是依赖于迭代器的相关实现。

自定义的类实现基于范围的for

       上面说了这么多的基于范围的For的用法和使用细节，但是这些用法都用来遍历C++提供的一些数组，容器类，是否可以遍历自定义的类呢？比如在python中for可以有这种用法：for(i in range(1,10))，遍历1到10的多有元素，我们是否可以自定义一个Range类来实现相关的操作呢？答案是肯定的，下面来通过这个Range类的实现看下如果为自定义的类实现基于范围的For。
       由于基本范围的For不需要明确指定遍历的开始和结束范围，但是在内部实现上依赖于自定义类提供的begin和end方法，此外还需要一个自定义的迭代器对象来负责范围的取值。看下面的例子：

class Myiterator
{
public:
    Myiterator(int val) :_value(val){}
    bool operator!=(const Myiterator& other) const
    { 
        return this->_value != other._value;
    }
    
    const int & operator*()
    {
        return _value;
    }
    
    int& operator++()
    {
        return ++_value;
    }
    
private:
    int _value;
};


class Range
{
public:
    Range(int begin, int end) :__begin(begin), __end(end){}
    Myiterator& begin()
    {
        return Myiterator(__begin);
    }
    
    Myiterator& end()
    {
        return Myiterator(__end);
    }
    
private:
    int __begin;
    int __end;
};

int main()
{
    for(auto i : Range(1, 10))
    {
        cout << i <<  " ";
    }
}

       输出为：1 2 3 4 5 6 7 8 9 请按任意键继续. . .，可见，对于自定义的Range类我们可以用估计与范围的For循环来遍历，如果要实现Range(1,10,2)也就是带步长的Range的话只需要将其迭代器的++操作符改写，_value+=2即可。
       也可将上述代码改写成模板类型，但是这部分模板值适用于数值类型，如果要适合其他自定义的类，需要各位自己去改写迭代器的相关代码，是的其能够支持自定义类的++，*，！操作。各位大牛执行实现吧。

template <typename T>
class Myiterator
{
public:
    Myiterator(T val) :_value(val){}
    bool operator!=(const Myiterator<T>& other) const
    {
        return this->_value != other._value;
    }

    const T & operator*()
    {
        return _value;
    }

    T operator++()
    {
        return ++_value;
    }
    
private:
    T _value;
};

template<typename T>
class Range
{
public:
    Range(T begin, T end) :__begin(begin), __end(end){}
    Myiterator<T>& begin()
    {
        return Myiterator<T>(__begin);
    }
    
    Myiterator<T>& end()
    {
        return Myiterator<T>(__end);
    }
    
private:
    T __begin;
    T __end;
};

int main()
{
    for(auto i : Range<int>(1, 10))
    {
        cout << i <<  " ";
    }
}

       因此归纳总结，为了给自定义的类实现基于范围的For的步骤如下：
       1、定义自定义类的迭代器 //这里的迭代器是广义的迭代器，指针也属于该范畴。
       2、该类型拥有begin() 和 end() 成员方法，返回值为迭代器（或者重载全局的begin() 和 end() 函数也可以）。
       3、自定义迭代器的 != 比较操作。
       4、自定义迭代器的++ 前置自增操作，显然该操作要是迭代器对象指向该容器的下一个元素。
       5、自定义迭代器* 解引用操作，显然解引用操作必须容器对应元素的引用，否则引用遍历时将会出错