使用foreach遍历map时出现意外的副本

Question

我试图循环遍历一个映射表，但我得到了意外的副本。这是程序：

#include <iostream>
#include <map>
#include <string>

struct X
{
    X()
    {
        std::cout << "default constructor\n";
    }

    X(const X&)
    {
        std::cout << "copy constructor\n";
    }
};

int main()
{
    std::map<int, X> numbers = {{1, X()}, {2, X()}, {3, X()}};
    std::cout << "STARTING LOOP\n";
    for (const std::pair<int, X>& p : numbers)
    {
    }
    std::cout << "ENDING LOOP\n";
}

这里是输出结果：

default constructor
copy constructor
default constructor
copy constructor
default constructor
copy constructor
copy constructor
copy constructor
copy constructor
STARTING LOOP
copy constructor
copy constructor
copy constructor
ENDING LOOP

为什么在循环内部我会得到三个复制品？如果使用类型推断，这些复制品会消失：

for (auto&& p : numbers)
{
}

这里发生了什么事？

- fredoverflow

Answer 1

map<K,V> 的值类型是 pair<const K,V>; 所以您的循环需要将 pair<const int,X> 转换为 pair<int,X>，同时复制键和值，以给您引用该类型的内容。

使用正确的类型（显式指定或使用 auto 推导）将消除副本。

- Mike Seymour

---

理论上，语言是否允许将const pair<K, V>&绑定到pair<const K, V>？或者这会在常量正确性系统中留下漏洞吗？如果允许这样做，我会不会破坏任何东西？ - fredoverflow

@FredOverflow：这会改变调用的方法（在const限定和非限定之间），这让我感到不安。 - Matthieu M.

@FredOverflow：还有一个问题，用于实例化模板的类型的属性不会传播到实例化的模板。std::pair<X,Y>与std::pair<T,U>无关，除非X恰好是T，而Y恰好是U。你请求的绑定支持不能在语言层面上完成，因为它取决于模板的实现，可能会有一些专门针对const类型的模板特化，在这种情况下，T<U>的真实类型和占用空间可能完全不同于T<const U>。 - David Rodríguez - dribeas

Answer 2

在 std::map<K, V> 中，value_type 不是 std::pair<K, V> 而是 std::pair<K const, V>。也就是说，您不能更改元素的关键组件。如果编译器发现从 std::pair<K const, K> const& 获取 std::pair<K, V> const& 的请求，它将使用 std::pair<...> 的转换构造函数，并创建一个合适的临时对象。

我建议使用 value_type 来避免任何差异：

for (std::map<int, X>::value_type const& p: numbers)
    ...

或者你可以让类型被推断出来：

for (auto const& p: number)
    ...

- Dietmar Kühl

---

理论上，语言是否允许将const pair<K, V>&绑定到pair<const K, V>？或者这会在常量正确性系统中留下漏洞吗？如果允许这样做，我会不会破坏任何东西？ - fredoverflow

将 const pair<K, V>& 转换为 pair<const K, V> 会破坏 V。如果稍后标记K为可变，则将 pair<const K, V> 转换为 const pair<K, V>& 可能会破坏K。 - leewz

@FredOverflow：编译器不知道模板参数的使用方式。使用不同类型进行实例化被视为完全不同的类型。 - Dietmar Kühl

如果有解决问题的方法，那就是禁止隐式转换。 - Dietmar Kühl

Answer 3

由于您正在迭代映射，但绑定了错误的引用类型，因此会产生复制。该映射的value_type是std::pair<const int, X>(请注意const)。由于它们不是相同的类型，编译器会创建临时变量并绑定引用。

在大多数情况下，您可以（并且应该）使用auto&或const auto&进行迭代，这将避免此类问题。如果要拼写类型，可以使用嵌套的value_type或精确类型。

for (const std::map<int,X>::value_type& r : numbers) {
// or
for (const std::pair<const int,X>& r : numbers) {

偏好应该是：const auto& r 然后是 const std::map<...>::value_type& 接着是 const std::pair<const int, X>&。请注意，列表中越靠右，您提供的知识就越多，编译器就能帮助您的就越少。

- David Rodríguez - dribeas

---

从理论上讲，语言是否允许将const pair<K, V>&绑定到pair<const K, V>？或者这是否会在const正确性系统中留下漏洞？如果允许，我会不会破坏任何东西？ - fredoverflow

std::pair的隐式转换非常糟糕 +1。 - user2249683

@FredOverflow：已经在您上面发表的评论中回答了。简单回答：不，这不能在语言层面上完成。 - David Rodríguez - dribeas