Почему range-for не находит мои перегрузки begin и end для std::istream_iterator?

Ranged-for полагается на ADL, если специальная обработка собственного массива (T foo[N]) и элемента begin/end не дает никаких результатов.

§6.5.4 [stmt.ranged] p1

• в противном случае begin-expr и end-expr равны begin(__range) и end(__range) соответственно, где begin и end ищутся с поиском, зависящим от аргумента (3.4.2) . Для целей поиска этого имени пространство имен std является связанным пространством имен.

Ваша проблема в том, что связанное пространство имен std::istream_iterator (очевидно) namespace std, а не глобальное пространство имен.

§3.4.2 [basic.lookup.argdep] p2

Для каждого типа аргумента T в вызове функции существует набор из нуля или более связанных пространств имен и набор из нуля или более связанных классов, которые необходимо учитывать. Наборы пространств имен и классов полностью определяются типами аргументов функции [...].

• Если T является фундаментальным типом, связанные с ним наборы пространств имен и классов пусты.
• Если T является типом класса (включая объединения), его ассоциированными классами являются: сам класс; класс, членом которого он является, если таковой имеется; и его прямые и косвенные базовые классы. Связанные с ним пространства имен — это пространства имен, членами которых являются связанные с ним классы. Кроме того, если T является специализацией шаблона класса, связанные с ним пространства имен и классы также включают: пространства имен и классы, связанные с типами шаблона аргументы, предоставленные для параметров типа шаблона [...].

Обратите внимание на последнюю (в кавычках) часть второго пункта. В основном это означает, что использование класса, который является членом глобального пространства имен, в качестве аргумента шаблона, заставляет код работать:

#include <iterator>
#include <iostream>

template<class T>
std::istream_iterator<T> begin(std::istream_iterator<T> is){
  return is;
}
template<class T>
std::istream_iterator<T> end(std::istream_iterator<T>){
  return std::istream_iterator<T>();
}

struct foo{};

std::istream& operator>>(std::istream& is, foo){
  return is;
}

int main(){
  for(foo f : std::istream_iterator<foo>(std::cin))
  //                                ^^^
  // make global namespace one of the associated namespaces
    ;
}

Из-за поиска, зависящего от аргумента, компилятор пытается найти begin() и end() в пространстве имен std. Если вы поместите туда свои функции, код скомпилируется.

Поскольку поиск имени в С++ является сложной проблемой, я не совсем уверен, правильно ли ведет себя компилятор.