Pra responder a primeira pergunta, podemos começar pela segunda, que tornará os motivos da primeira mais óbvios.
A construção (chamada de range-based for, ou for baseado em intervalo):
for (declaração : expressão) corpo
É apenas açúcar sintático e é transformada para a seguinte construção:
{
auto && __range = expressão ;
auto __begin = begin_expr; // normalmente begin_expr é begin(__range)
auto __end = end_expr; // normalmente end_expr é end(__range)
for ( ; __begin != __end; ++__begin) {
declaração = *__begin;
corpo
}
}
Note que essa transformação é conformante com c++17.
Essa versão do for
funciona com qualquer expressão que possa ser iterada. No seu exemplo, std::vector
pode ser iterado, pois ele possui as funções membro std::vector::begin
e std::vector::end
, que retornam iteradores para o começo do vetor e para o fim, respectivamente. Por exemplo:
#include <cassert>
int main() {
std::vector<int> v{1, 2, 3};
int soma = 0;
for (int i : v)
soma += i;
assert(6 == soma);
}
Se pegarmos apenas a parte do for
do exemplo acima, vemos que
int i
é a declaração,
v
é a expressão e
soma += i;
é o corpo.
Na transformação (um pouco mais simplificada), teremos:
{
auto __begin = begin(v);
auto __end = end(v);
for ( ; __begin != __end; ++__begin) {
int i = *__begin;
soma += i;
}
}
Perceba que a parte int i = *__begin
é onde cada elemento do intervalo (o vetor v
nesse caso) é atribuído para a variável i
. O corpo do for
vem em seguida.
O for
baseado em intervalo, como dito antes, funciona com qualquer intervalo. Portanto, qualquer contêiner que seja possível conseguir um iterador de seu começo e fim funcionará com essa construção do for
(e.g. arrays de tamanho fixo, alguns contêiner da biblioteca padrão, como std::map
, std::vector
, std::array
etc).
Se o conceito iterador não é familiar, veja-o como um objeto que consegue percorrer os elementos de um contêiner. Por exemplo, um ponteiro pro primeiro elemento do vetor pode ser considerado um iterador, pois quando vamos incrementando esse ponteiro, vamos conseguindo acesso para os elementos em sequência daquele vetor, até chegar no fim, que é um ponteiro para depois do último elemento (significando a chegada, ou fim da iteração). Nesse caso, __begin
e __end
seriam tais iteradores, onde __begin
tem acesso ao primeiro elemento (e é incrementado durante o laço, pra acessar os elementos seguintes) e __end
representa o fim da iteração. Quando __begin
for igual a __end
, significa que o laço terminou e todos os elementos foram iterados.
Voltando pra primeira pergunta, vemos que agora é óbvio o porquê declaramos vi
como uma referência. Se olharmos seu exemplo:
for (auto &vi : v) {
vi *= fator;
}
Temos auto &vi
como declaração, v
como expressão e vi *= fator
como corpo
:
{
auto __begin = begin(v);
auto __end = end(v);
for ( ; __begin != __end; ++__begin) {
auto &vi = *__begin;
vi *= fator;
}
}
Quando atribuímos os elementos do vetor v
em cada iteração, conseguimos a referência para aquele elemento. Se tivéssemos a declaração como apenas auto vi
(ou double vi
), estaríamos copiando o elemento para a variável vi
. Já que o intuito é modificar o elemento, uma cópia não funcionaria, nós queremos acesso de escrita ao elemento, então a referência é usada.
Atenção, o uso de __
como prefixo dos nomes são reservados pela padronização. Não escreva nomes assim por conta própria, pois eles são usados exatamente pra impedir que código de usuário entre em conflito com código da biblioteca padrão, açúcares sintáticos ou funções intrínsecas do compilador.