在临时范围内基于范围的 for 循环

Question

由于 valgrind 中的一些分段错误和警告，我发现此代码不正确并且在 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 是从一个临时文件中取出并在循环中丢失的。

当然，一种解决方法是

    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，以及是否有更好的解决方法或某种方法来设计 f 甚至容器 (std::vector) 来避免这个陷阱。

使用迭代器循环更明显为什么会出现此问题（begin 和 end 来自不同的临时对象）

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

但是在for-range循环中，如第一个例子，似乎很容易犯这个错误。

Answer 1

请注意，直接使用临时作为范围表达式是可以的，它的lefetime会被延长。但是对于f()[5]来说，f()returns是临时的，它是在表达式中构造的，在构造它的整个表达式之后就会被销毁。

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

（强调我的）

If range_expression returns a temporary, its lifetime is extended until the end of the loop, as indicated by binding to the rvalue reference __range, but beware that the lifetime of any temporary within range_expression is not extended.

This problem may be worked around using init-statement:
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;

Answer 2

I wonder exactly why for(auto e : f()[5]) is an error

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：

{
    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？ operator[] 在 vector returns 上对该对象的引用，因此 __range 绑定到该内部引用。但随后临时变量在行尾超出范围，破坏了它的所有内部结构，并且 __range 立即成为悬空引用。这里没有生命周期延长，我们永远不会将引用绑定到临时对象。

在更正常的情况下，for(auto e : f())，我们会直接将 __range 绑定到 f()，是绑定对的引用一个临时的，这样临时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。

为了增加更多皱纹，在其他情况下，像这样的间接绑定仍然会延长生命周期。比如，说：

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

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

但与其尝试跟踪所有这些小案例，不如像 songyuanyao 所建议的那样，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错误的安全感，因为如果你做了两次，你仍然会遇到同样的问题...

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

在临时范围内基于范围的 for 循环

Range-based for loop on a temporary range

c++

c++11

temporary-objects

c++20

for-range