Ch 10: 循环和迭代

本章目标

• 熟练使用传统 for 循环
• 掌握 C++ 范围 for 循环
• 理解 C++20 范围库视图
• 学会选择合适的循环方式

10.1 Python for 循环

# Python - for 遍历任何可迭代对象
for i in range(5):
    print(i)  # 0, 1, 2, 3, 4

for item in items:
    print(item)

for i, item in enumerate(items):
    print(f"{i}: {item}")

for i in range(0, 10, 2):
    print(i)  # 0, 2, 4, 6, 8

10.2 C++ 传统 for 循环

// C++ - 类似 C/Java 的 for 循环
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    std::cout << i << std::endl;  // 0, 1, 2, 3, 4
}

// 步进循环
for (int i = 0; i < 10; i += 2) {
    std::cout << i << std::endl;  // 0, 2, 4, 6, 8
}

// 反向遍历
for (int i = 4; i >= 0; --i) {
    std::cout << i << std::endl;
}

// 遍历数组
int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    std::cout << arr[i] << std::endl;
}

传统 for 的结构

// for (初始化; 条件; 更新)
for (int i = 0; i < 5; ++i) {
    // 初始化: int i = 0 - 只执行一次
    // 条件: i < 5 - 每次迭代前检查
    // 更新: ++i - 每次迭代后执行
}

10.3 C++ 范围 for 循环

基本用法

#include <vector>

std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5};

// 范围 for - 最接近 Python 的方式
for (int n : nums) {
    std::cout << n << std::endl;
}

// const 引用（避免拷贝）
for (const auto& n : nums) {
    std::cout << n << std::endl;
}

// 值拷贝
for (auto n : nums) {
    // n 是拷贝
}

遍历数组

int arr[] = {1, 2, 3, 4, 5};
for (int n : arr) {
    std::cout << n << std::endl;
}

// 遍历字符串
std::string s = "Hello";
for (char c : s) {
    std::cout << c << std::endl;
}

10.4 C++20 std::views 范围

Python 风格的链式操作

# Python - 列表推导
nums = list(range(1, 11))
evens = [x for x in nums if x % 2 == 0]      # 过滤
squares = [x**2 for x in nums]                 # 转换
combined = [x**2 for x in nums if x % 2 == 0] # 过滤+转换

C++20 范围视图

#include <vector>
#include <ranges>

std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

// 过滤偶数（C++20）
auto evens = nums | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 0; });

// 转换（平方）
auto squares = nums | std::views::transform([](int x) { return x * x; });

// 链式操作
auto result = nums
    | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 0; })
    | std::views::transform([](int x) { return x * x; });

// 惰性求值 - 不创建中间容器！
for (int n : result) {
    std::cout << n << " ";  // 4 16 36 64 100
}

常用视图操作

#include <vector>
#include <ranges>

std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5};

// iota - 类似 Python range
for (int i : std::views::iota(0, 5)) {
    std::cout << i << " ";  // 0 1 2 3 4
}

// take - 取前 N 个
for (int n : nums | std::views::take(3)) {
    std::cout << n << " ";  // 1 2 3
}

// drop - 跳过前 N 个
for (int n : nums | std::views::drop(3)) {
    std::cout << n << " ";  // 4 5
}

// reverse - 反向
for (int n : nums | std::views::reverse) {
    std::cout << n << " ";  // 5 4 3 2 1
}

// split / lazy_split（C++23）

惰性求值原理

#include <vector>
#include <ranges>

std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5};

// Python: [x**2 for x in nums if x % 2 == 0]
// 这会立即创建新列表

// C++: 惰性求值
auto result = nums
    | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 0; })
    | std::views::transform([](int x) { return x * x; });

// 迭代时才计算
for (int n : result) {  // filter + transform 在这里执行
    std::cout << n << std::endl;
}

// 不迭代就不计算！
auto r = result;  // 只是引用，不拷贝数据

C++23 std::views::enumerate

# Python - enumerate
for i, item in enumerate(items):
    print(f"{i}: {item}")

// C++23 有 std::views::enumerate
for (auto [i, item] : items | std::views::enumerate) {
    std::cout << i << ": " << item << std::endl;
}

// C++20 变通方案
int i = 0;
for (auto& item : items) {
    std::cout << i++ << ": " << item << std::endl;
}

// C++20 自己实现 enumerate
template<std::ranges::input_range R>
auto enumerate(R&& range) {
    return std::views::transform(
        std::views::iota(0UZ),
        [&, i = 0](auto) mutable { return std::pair{i++, range[i-1]}; }
    );
}

10.5 while 和 do-while

while 循环

// C++ while
while (condition) {
    // 循环体
}

// 遍历直到找到
std::vector<int> nums = {3, 1, 4, 1, 5};
int target = 4;
std::size_t i = 0;
while (i < nums.size() && nums[i] != target) {
    ++i;
}
if (i < nums.size()) {
    std::cout << "Found at index " << i << std::endl;
}

// 无限循环
while (true) {
    if (exit_condition) break;
}

do-while（至少执行一次）

// C++ do-while - 循环体至少执行一次
int choice;
do {
    std::cout << "1. New game" << std::endl;
    std::cout << "2. Load game" << std::endl;
    std::cout << "3. Exit" << std::endl;
    std::cin >> choice;
} while (choice < 1 || choice > 3);

Python 没有 do-while

# Python 需要模拟 do-while
while True:
    process()
    if not condition:
        break

10.6 循环控制

break - 跳出循环

std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5};

for (int n : nums) {
    if (n == 3) break;        // 遇到 3 停止
    std::cout << n << " ";     // 1 2
}

continue - 跳过本次迭代

for (int n : nums) {
    if (n % 2 == 0) continue; // 跳过偶数
    std::cout << n << " ";     // 1 3 5
}

带标签的 break（跳出多层循环）

// C++ 带标签的 break
outer:
for (int i = 0; i < 3; ++i) {
    for (int j = 0; j < 3; ++j) {
        if (i == 1 && j == 1) {
            break outer;  // 直接跳出外层循环
        }
        std::cout << "(" << i << "," << j << ") ";
    }
}
// 输出: (0,0) (0,1) (0,2) (1,0) (1,1) 这里停止

// Python 用 for-else 或标志变量
# Python
for i in range(3):
    for j in range(3):
        if i == 1 and j == 1:
            break
    else:
        continue
    break

10.7 范围 for 和容器

vector

#include <vector>

std::vector<int> v = {1, 2, 3};

for (int x : v) { /* ... */ }
for (auto& x : v) { x *= 2; }  // 修改
for (const auto& x : v) { /* 只读 */ }

map

#include <map>

std::map<std::string, int> ages = {{"Alice", 30}, {"Bob", 25}};

for (const auto& [name, age] : ages) {
    std::cout << name << ": " << age << std::endl;
}

set

#include <set>

std::set<int> s = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6};

for (int x : s) {
    std::cout << x << " ";  // 自动排序: 1 2 3 4 5 6 9
}

10.8 完整示例

#include <iostream>
#include <vector>
#include <ranges>
#include <algorithm>

int main() {
    std::vector<int> nums = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

    // 传统 for 循环
    std::cout << "Traditional: ";
    for (std::size_t i = 0; i < nums.size(); ++i) {
        std::cout << nums[i] << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 范围 for
    std::cout << "Range-based: ";
    for (int n : nums) {
        std::cout << n << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // C++20 范围视图 - 过滤 + 转换
    std::cout << "Evens squared: ";
    auto result = nums
        | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 0; })
        | std::views::transform([](int x) { return x * x; });

    for (int n : result) {
        std::cout << n << " ";  // 4 16 36 64 100
    }
    std::cout << std::endl;

    // iota + take + filter
    std::cout << "iota(1, 11) filter odd: ";
    for (int i : std::views::iota(1, 11)
                   | std::views::filter([](int x) { return x % 2 == 1; })) {
        std::cout << i << " ";  // 1 3 5 7 9
    }
    std::cout << std::endl;

    // while 循环
    std::cout << "While: ";
    std::size_t idx = 0;
    while (idx < nums.size()) {
        std::cout << nums[idx] << " ";
        ++idx;
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

10.9 性能考虑

#include <vector>

// 范围 for vs 传统 for
std::vector<int> v(1000000);

// 范围 for（推荐）
for (int x : v) {
    process(x);
}

// 传统 for（用于需要索引时）
for (std::size_t i = 0; i < v.size(); ++i) {
    process(v[i]);
}

// 注意：end() 调用优化
// 好的编译器会缓存 v.end()
// 但某些情况下手动缓存可能有帮助
for (auto it = v.begin(), end = v.end(); it != end; ++it) {
    // ...
}

章节总结

• 传统 for (init; cond; incr) 循环
• 范围 for (auto x : container) 最接近 Python
• C++20 std::views::filter/transform 惰性求值
• std::views::iota(begin, end) 类似 Python range()
• while 循环条件在前，do-while 条件在后（至少执行一次）
• break 跳出循环，continue 跳过本次迭代
• 带标签的 break outer 可以跳出多层循环

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下章预告：ch11 学习函数的声明、定义和参数传递。