【C++ STL应用与实现】26: 如何使用std::for_each以及基于范围的for循环 (since C++11)

22 December 2015
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本系列文章的目录在这里：目录. 通过目录里可以对STL总体有个大概了解

#前言

本文总结了STL算法中for_each, for_each算法很常用，以致于C++11定义了一个新的语法: range based for loop, 也就是基于范围的for循环，直接在语法层面把for_each的功能给实现了。本文给出一些使用for_each和rang-based for loops的用法，并说明for loops的实现原理和使用注意事项。

for_each的原型

template<class InputIterator, class Function>
  Function for_each(InputIterator first, InputIterator last, Function fn)
{
  while (first!=last) {
    fn (*first);
    ++first;
  }
  return fn;      // or, since C++11: return move(fn);
}

不修改元素的用法 (non-modifying)

void printFun(int i)
{
    cout << i << " ";
}
//----------------------- for_each non-modify----------------------
RUN_GTEST(ForEachTest, NonModify, @);

auto print = [](int i){ cout << i << " "; };

vector<int> v{1,2,3,4,5};
for_each(v.begin(), v.end(), print);
cr;

for_each(v.begin(), v.end(), printFun);
cr;

END_TEST;

上面的例子输出都是1 2 3 4 5, for_each接受一个范围迭代器对，外加一个一元函数，跟其他的算法一样，这个函数选择很灵活，包括functors概念里的所有东西。

修改元素的用法 (modifying)

template <typename T>
class AddVal
{
public:
    AddVal(const T& val) : val_(val)
    {}

    void operator() (T & val)
    {
        val += val_;
    }

private:
    T val_;
};

void add50(int &val)
{
    val += 50;
}
//----------------------- for_each modify----------------------
RUN_GTEST(ForEachTest, Modify, @);

vector<int> coll;
insertElements(coll, 1, 5);
printContainer(coll, "coll: ");  // coll: 1 2 3 4 5 

// change use lambda.
for_each(coll.begin(), coll.end(),
         [](int& elem){ elem += 50; });

printContainer(coll, "coll: ");  //coll: 51 52 53 54 55 


// change use functor
for_each(coll.begin(), coll.end(),
         AddVal<int>(50));

printContainer(coll, "coll: ");//coll: 101 102 103 104 105 

// change use function.
for_each(coll.begin(), coll.end(), add50);
printContainer(coll, "coll: ");//coll: 151 152 153 154 155 

END_TEST;

这个例子展示了如何使用for_each来修改元素，分别使用了lambda、functor和普通函数，三者原理相同，都是通过接受一个引用类型的参数, 在函数内部修改了这个实参，从而达到修改容器元素的效果。

range based for loop 用法

for_each完成的工作都可以用基于范围的for来做，比如上面的例子，使用for来实现：

RUN_GTEST(ForEachTest, RangeForLoop, @);

//-----------non-modifying --------------
auto print = [](int i)
{
    cout << i << " ";
};

vector<int> v{ 1, 2, 3, 4, 5 };
//for_each(v.begin(), v.end(), print);
for (const auto &item : v)
{
    print(item);
}
cr;

//for_each(v.begin(), v.end(), printFun);
for (const auto &item : v)
{
    printFun(item);
}
cr;

// 或者省去vector的定义, 直接在for里面使用初始化列表
for ( const auto &item : { 1, 2, 3, 4, 5 } )
{
    print(item);
}
cr;

//----------- modifying --------------
vector<int> coll;
insertElements(coll, 1, 5);
printContainer(coll, "coll: ");  // coll: 1 2 3 4 5 

for (auto & item : coll) {
    item += 50;
}
printContainer(coll, "coll: ");  //coll: 51 52 53 54 55 

END_TEST;

上面的例子展示了使用基于范围的for实现for_each的modifying和non-modifying代码功能，可以看出，for循环并结合auto关键字，使得同样的功能实现起来更加直观、简单。for_each会慢慢被for替代，从而走出我们的视野。

for_each的返回值

for_each有个返回值功能，通常不会被注意，也不是很常用。这一点是基于范围的for循环所不能取代的。

看原型的代码：

template<class InputIterator, class Function>
  Function for_each(InputIterator first, InputIterator last, Function fn)
{
  while (first!=last) {
    fn (*first);
    ++first;
  }
  return fn;      // or, since C++11: return move(fn);
}

它的返回值就是：std::move(fn). 什么意思，就是返回for_each(begin, end, fn)中的第三个参数fn的move结果，也就是说，如果fn有移动构造函数，那么返回值就是fn的移动构造结果，否则返回值就是fn的副本（copy构造结果）。

下面看一个使用for_each返回值的例子， 它用来计算一串数字的平均值：

class MeanValue
{
public:
    MeanValue() : count_(0), sum_(0) {}
    void operator() (int val)
    {
        sum_ += val;
        ++count_;
    }
    operator double()
    {
        if ( count_ <= 0 )
        {
            return 0;
        }
        return sum_ / count_;
    }
private:
    double      sum_;
    int         count_;
};
//----------------------- for_each return value----------------------
BEGIN_TEST(ForEachTest, UseReturnValue, @);

vector<int> coll2{ 1, 2, 3, 4, 5 };
printContainer(coll2, "coll2:");   // coll2: 1 2 3 4 5

//for_each returns a copy of MeanValue(), then use operator double().
// same with:
// MeanValue mv = for_each(coll2.begin(), coll2.end(), MeanValue());
// double meanValue = mv;
double meanValue = for_each(coll2.begin(), coll2.end(), // for_each返回传入MeanValue()的副本，然后调用operator double()转换为double.
                            MeanValue());

// validate result using numeric.
using std::accumulate;
double sum(0);
sum = accumulate(coll2.begin(), coll2.end(), 0);
EXPECT_EQ(sum / coll2.size(), meanValue);

END_TEST;

基于范围的for循环的实现原理和使用注意事项

1. for loops的实现原理

形式1

for (const auto &item : con)
{
    cout << item;
}
for (decltype(con)::iterator beg = con.begin(), end = con.end();
        beg != end;
        ++beg)
{
    const auto &item = *beg;
    // .....
}

如果con没有begin()和end()成员函数，那么for loops就是做如下尝试：

for (decltype(con)::iterator beg=begin(con), end = end(con);
        beg != end;
        ++beg)
{
    const auto &item = *beg;
    // .....
}

2. range based for loops的使用注意

1. for循环里取出的item是对迭代器解引用后的结果

从for loops的实现原理中也能看出，item是对迭代器解引用(dereference)后的结果

2. 尽量使用引用，以避免不必要的拷贝开销

从for loops的实现原理同样可以看到，如果item的类型不是引用的话，那么

for (auto item : con)
{
}

for (decltype(con)::iterator beg = con.begin(), end = con.end();
        beg != end;
        ++beg)
{
    auto item = *beg;                   // 拷贝构造item
}

可以看到，item每次迭代中都是被拷贝构造出来的，如果item的类型很“巨大”那么其拷贝构造的开销也是巨大的。

3. 如何使自己定义的容器支持range based for loops

源码及参考链接

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