在C++范围for循环中向vector追加元素为何输出异常？

问题代码 #

auto main() -> int {
    std::vector<double> v { 1, 2, 3 };

    for (auto& num : v) {
        std::cout << num << "\n";
        v.push_back(num);
    }

    std::cout << "===========\n";

    for (const auto& num : v) {
        std::cout << num << "\n";
    }
}

实际运行输出 #

1
1.00938e-320
0
===========
1
2
3
1
1.00938e-320
0

预期输出 #

1
2
3
===========
1
2
3
1
2
3

疑问 #

原以为范围for循环是如下代码的语法糖：

for (auto& it{v.begin()}, it != v.end(), it++)

照此逻辑，应该只会出现两种情况：1. 每次迭代都重新计算v.end()，导致无限循环；2. 仅在循环开始前计算一次v.end()，得到预期输出。但实际结果与这两种情况都不符，请问这是为什么？

原因解析 #

首先纠正你的误解：范围for循环的实际等价逻辑和你想象的不同。根据C++标准，范围for循环会被展开为以下形式：

auto&& __range = v;
auto __begin = __range.begin();
auto __end = __range.end();
for (; __begin != __end; ++__begin) {
    auto& num = *__begin;
    // 循环体代码
}

核心点是：__begin和__end仅在循环启动前初始化一次，后续迭代不会重新计算。问题的根源在于std::vector::push_back的行为：

当push_back新元素时，如果vector当前容量不足以容纳新增元素，会触发内存重新分配——vector会申请一块更大的内存，把旧数据拷贝过去，然后释放旧内存。此时，所有指向旧内存的迭代器（包括范围for循环中保存的__begin和__end）都会彻底失效。

回到你的代码执行流程：

1. 第一次循环：__begin指向第一个元素1，输出后执行push_back(1)。此时vector的size从3变为4，若初始容量为3（很多实现的默认初始容量等于初始size），则会触发扩容。扩容后，原__begin和__end指向的旧内存已被释放，成为失效迭代器。
2. 第二次循环：解引用失效的__begin属于未定义行为，输出的1.00938e-320是旧内存中的垃圾值。
3. 第三次循环：继续移动失效的__begin，解引用得到另一个垃圾值0。
4. 当失效的__begin与__end比较时，恰好满足__begin != __end不成立，循环终止——这就是为什么循环只执行了3次，却输出异常值。

如果提前给vector预留足够容量（比如在循环前调用v.reserve(6)），push_back不会触发扩容，迭代器也不会失效。此时循环会按你预期的第二种情况执行：遍历初始的3个元素，输出1、2、3，最终vector变为[1,2,3,1,2,3]。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Fei Yu