C++ 范围 for 循环：语法、auto 与引用

“对每个元素，做这件事”

经典的计数 for 循环在你需要用下标驱动时很好用。但大多数时候你根本不关心下标，只想处理容器里的每一个元素。为此写 for (int i = 0; i < v.size(); i++) 既啰嗦，i 又离差一错误导致的越界读取只有一步之遥。

C++11 正是为此加入了范围 for 循环。你给出一个变量名，指向一个容器，循环就会替你走遍每个元素：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> scores = {90, 75, 100, 60};

    for (int s : scores) {
        cout << s << "\n";
    }
}

没有下标，没有 .size()，也没有会写错的边界。把它读作“对 scores 中的每个 s”。它适用于原生数组、std::vector、std::string、std::map，以及任何提供 begin() 和 end() 的东西。

让 auto 来选类型

把元素类型写出来也行，但不够灵活：容器的类型一变，每个循环都得跟着改。把范围 for 和 auto 搭配起来，编译器就会替你推导元素类型：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<string> names = {"Ada", "Linus", "Grace"};

    for (auto name : names) {
        cout << "Hello, " << name << "!\n";
    }
}

不过这里有个隐藏的代价。普通的 auto name 推导出 string，并在每一轮都把元素拷贝到 name 中。对 int 来说这不花什么；对 string 或一个大结构体来说，每次迭代都是一次白白浪费的内存分配。解决办法是引用，这也是接下来要弄懂的内容。

用 auto& 原地修改

如果你写 auto x，得到的是一份拷贝，所以给 x 赋值改的是拷贝，而不是容器。看看这个陷阱：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> nums = {1, 2, 3};

    for (auto n : nums) {   // copy! changes are thrown away
        n *= 10;
    }

    for (int n : nums) cout << n << " ";   // still 1 2 3
}

乘以 10 的操作悄无声息地什么都没做，因为 n 只是一份用完即弃的拷贝。要真正修改元素，就用 auto& 按引用取得它们：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> nums = {1, 2, 3};

    for (auto& n : nums) {   // reference - edits the real element
        n *= 10;
    }

    for (int n : nums) cout << n << " ";   // 10 20 30
}

一个 & 就是“只看不碰”和“原地修改”的全部区别。如果你哪天纳闷自己的修改为什么不见了，原因几乎总是这个。

只读不拷贝：const auto&

当你只需要读取元素，而它们拷贝起来又很昂贵时，用 const auto&。引用避免了拷贝，const 则写明（并强制保证）你不会修改任何东西：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<string> words = {"refactor", "compile", "deploy"};

    size_t total = 0;
    for (const auto& w : words) {   // no copy, can't accidentally change w
        total += w.size();
    }

    cout << "Total characters: " << total << "\n";
}

一条好用的经验法则：

for (auto x : c)         // copy   - cheap types (int, char, pointers)
for (auto& x : c)        // edit   - you want to change the elements
for (const auto& x : c)  // read   - heavy types you only inspect

读取时默认用 const auto&，写入时用 auto&。只有对真正小巧、拷贝廉价的类型，才用普通的 auto。

遍历 map 和 pair

对 std::map 使用范围 for，每个条目会以一个 std::pair 交给你，其中 .first 是键，.second 是值。从 C++17 开始，结构化绑定让你可以直接在循环头里把这个 pair 拆成两个有名字的变量：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>
using namespace std;

int main() {
    map<string, int> ages = {{"Ada", 36}, {"Grace", 85}};

    for (const auto& [name, age] : ages) {
        cout << name << " is " << age << "\n";
    }
}

[name, age] 比到处重复写 entry.first 和 entry.second 清楚得多。这里同样保留 const auto&：map 条目的键是 string，拷贝每个 pair 都是浪费。

陷阱：循环时不要改变大小

最大的坑是在范围 for 遍历容器的同时改变它的大小。调用 push_back、erase、insert 或 clear 可能会重新分配底层存储，让循环内部的迭代器失效，结果是未定义行为，也就是崩溃或垃圾数据，而不是一条友好的错误信息：

vector<int> v = {1, 2, 3};
for (int x : v) {
    v.push_back(x);   // UNDEFINED BEHAVIOR - reallocation invalidates the range
}

如果处理过程中需要添加或删除元素，就改用基于下标或基于迭代器的 for 循环，自己管理边界；或者另建一个结果容器，处理完再交换进来。同一类里还有两个小坑：永远不要让范围 for 绑定到一个马上就会销毁的临时对象（for (auto x : makeVector()) 没问题，但 for (auto& x : someObj.getTempVector()) 可能悬空）；另外记住，for (auto& c : myString) 可以让你原地修改单个字符。

下一节：函数

范围 for 循环让遍历变得整洁，而你刚学到的 auto / auto& / const auto& 这些选择，可以直接用到 C++ 最重要的工具之一上。接下来我们会把逻辑封装成可复用的函数：给代码起个名字，加上参数和返回值，这样你就能在任何地方调用它，而不必重复编写。