Re: [問題] (C++ Primer)有關auto &的疑問

[poyenc (髮箍)]

※ 引述《TyrionLannis (小惡魔)》之銘言：
: 由於不是問程式碼相關的題目，故前面敘述恕刪，最近剛開始看C++ Primer，
: 讀到Ch3多維陣列的部分(P128)，它裡面給了另一種用auto來跑for loop的方式，舉個
: 例子來說:
: int ia[2][2]={1,2,3,4};
: //印出陣列的每個元素值
: for(auto &row : ia)
:    for(auto col :row){
:       cout<< col << endl;
:    }
: 書中註明，auto &row中的&不能省略，否則編譯器會把row轉成一個pointer(指
: 向每列的第一個元素)，跑到第二個loop的時候就變成違法的指令了(原文:That
: loop attempts to iterate over an int*)，所以說一定要要有&才會把row轉成
: 一個一維陣列，然後我就有點不懂為什麼編譯器會這樣做了，畢竟前面講auto的
: 內容好像沒有有提到auto聲明的時候加上reference會造成這種最後type的不同，
: 想請問這是C++的規定還是背後有什麼特別的哲學(或者機制)嗎?
以下提到的資料都可以在 N3242 裡面查詢到. range-based for
顧名思義就是尋訪 range 裡所有元素用的 for, range 範圍是由成
對的迭代器所定義, 最簡單的迭代器是指標:

    int array[5] = { 0, 1, 2, 3, 4 };
    for (int* p = array; p != (array + 5); ++p) {
        cout << *p << " " << endl;
    }

上面的例子裡, array (轉型成指標) 是開始迭代器, (array + 5)
則是結束迭代器, 你可以用這兩個迭代器來尋訪陣列. 這邊可以不
指定 p 的型別由編譯器幫我們推導:

    // auto is deduced to int*
    for (auto p = array; p != (array + 5); ++p) {
        cout << *p << " " << endl;
    }

然後再來看看 N3242 裡面的 6.5.4.1, range-based for 語句:

    for ( for-range-declaration : expression ) statement

等同於下面的寫法:

    {
        auto && __range = expression;
        for ( auto __begin = begin-expr,
                   __end = end-expr;
              __begin != __end;
              ++__begin ) {
           for-range-declaration = *__begin;
           statement
        }
    }

有看到開始和結束迭代器了嗎? 它們就是被用來控制迴圈該跑幾次.
另外雖然 for-range-declaration 只有寫一次, 但它會在迭代中被
用來接 *__begin 的結果. 在 6.5.4.1 最後一段有寫到這些迭代器
從哪裡來:

    "... and _RangeT is the type of the expression, and
    begin-expr and end-expr are determined as follows:

    - if _RangeT is an array type, begin-expr and end-expr
      are __range and __range + __bound, respectively,
      where __bound is the array bound."

既然有迭代器的求法, 剛剛的迴圈我們也可以試著用
range-based for 來作代換:

    // for-range-declaration: auto i
    // expression: array
    // statement: cout << i << " " << endl;
    for (auto i : array) {
        cout << i << " " << endl;
    }

等同於:

    {
        auto && __range = array;
        for ( auto __begin = __range,
                   __end = __range + 5;
              __begin != __end;
              ++__begin ) {
           auto i = *__begin;
           cout << i << " " << endl;
        }
    }

這邊 auto&& 推導的規則比較特殊, 先不細講. __range 物件被用
來接冒號(:)右邊的敘述 (這個例子為 array), 並且視情況延長生
命周期; 再來因為 array 的型別為 int[5], __begin 的型別被推
導為 int*, __bound 也被決定為 5. auto i 能否放在前面宣告,
取決於它可不可以從 *__begin 初始化而來. 來說結論:

    range-based for 中如果無法藉由標準裡提的方法得出開
    始/結束迭代器, 或是宣告不合法, 就可能造成編譯錯誤.

你的例子裡, 外層迴圈從 *__begin 拿到的東西是 int(&)[2] (陣
列參考), 原本用 auto& 可以參考到子陣列; 但因為宣告改成 auto
導致先轉型成指標 int* 才傳遞給內層迴圈使用. 內層迴圈因為無
法透過指標來獲取開始/結束迭代器 (資訊不足), 所以報錯.

參考資料:
    Draft for C++11 (N3242)
    https://bit.ly/2PmiJ6J

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※ 文章網址: https://www.ptt.cc/bbs/C_and_CPP/M.1544204166.A.F9A.html
推 TyrionLannis: 感謝!排版跟解釋都很清楚!
→ TyrionLannis: 另外想請問，所以auto &跟auto 兩個回傳的結果不同
→ TyrionLannis: (前者陣列，後者指標)背後的機制大概是什麼，是類似
    int i = 0;
    auto vi = i;    // auto deduced to int, vi's type is int
    auto& ri = i;   // auto deduced to int, ri's type is int&
    auto pi = &i;   // auto deduced to int*, pi's type is int*
    auto* pi2 = &i; // auto deduced to int, pi2's type is int*

auto 是起到佔位的作用, 佔的部分由編譯器幫你推導型別, 由於
auto& 佔的部分變少, 所以不管 auto 的部分編譯器怎麼填, 最後
物件的型別還是參考. 但是 array 並不像其他內建型別一樣可以當
左值:

    int array[5];
    int other_array[10];

    array = other_array; // error
    auto pa = array;  // auto deduced to int*, pa's type is int*
    auto& ra = array; // auto deduced to int[5], ra's type is int(&)[5]

所以當你單純想用 auto 來接陣列時, 會發生 array-to-pointer
轉換, 對型別為 T[N] 的陣列 A 而言, 得到的值會是 &A[0], 型別
則是 T* (T 可能包含 const)

推 TyrionLannis: ?另外如果算是C++新手太鑽這些點會不會沒什麼幫助QQ
不會, 需要鑽的東西太多了

→ sarafciel: 原PO你先把C++的reference搞懂吧
可以用 C++ Insights 來看 range-based for 展開的模樣:

    link: https://cppinsights.io
※ 編輯: poyenc (123.193.76.85), 12/10/2018 01:52:22