要访问顺序容器和关联容器中的元素,需要通过“迭代器(iterator)”进行。迭代器是一个变量,相当于容器和操纵容器的算法之间的中介。其提供了一种一般化的方法,对顺序容器或者关联容器中的每个元素进行连续访问。例如,假设iter为某种容器的一个迭代器,则++iter表示向前移动迭代器使其指向容器的下一个元素,而*iter返回它指向元素的值。每种容器类型都提供一个begin()和一个end()成员函数,begin()返回对应容器的第一个元素的迭代器,end()返回一个迭代器,它所指向容器的末尾元素的下一个位置。迭代器可以指向容器中的某个元素,通过迭代器就可以读写它指向的元素。从这一点上看,迭代器和指针类似。
迭代器按照定义方式分成以下四种:
类型 | 定义方法 |
---|---|
正向迭代器 | 容器类名::iterator 迭代器名; |
常量正向迭代器 | 容器类名::const_iterator 迭代器名; |
反向迭代器 | 容器类名::reverse_iterator 迭代器名; |
常量反向迭代器 | 容器类名::const_reverse_iterator 迭代器名; |
也有将迭代器分为5中类型,如下表所示:
类型 | 操作 | 说明 |
---|---|---|
InputIterator(输入迭代器) | 读,不能写 | 只支持自增运算 |
OutputIterator(输出迭代器) | 写,不能读 | 只支持只增运算 |
ForwardIterator(前向迭代器) | 读和写 | 只支持自增运算 |
BidirectionalIterator(双向迭代器) | 读和写 | 支持自增和自减运算 |
RanddomAccessIterator(随机访问迭代器) | 读和写 | 支持完整的迭代器算术运算 |
由于迭代器it的向前移动一般只有it++或者++it(移动一步),为此提供脸了advance(it, n)函数,用于将迭代器it前进n步,相当于it=it+n。
通过迭代器可以读取它指向的元素,*迭代器名就表示迭代器指向的元素。通过非常量迭代器还能修改其指向的元素。
迭代器都可以进行++操作。反向迭代器和正向迭代器的区别在于:
对正向迭代器进行++操作时,迭代器会指向容器中的后一个元素;
而对反向迭代器进行++操作时,迭代器会指向容器中的前一个元素。
下面的程序演示了如何通过迭代器遍历一个 vector 容器中的所有元素。
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
vector<int> v; //v是存放int类型变量的可变长数组,开始时没有元素
for (int n = 0; n<5; ++n)
v.push_back(n); //push_back成员函数在vector容器尾部添加一个元素
vector<int>::iterator i; //定义正向迭代器
for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i) { //用迭代器遍历容器
cout << *i << " "; //*i 就是迭代器i指向的元素
*i *= 2; //每个元素变为原来的2倍
}
cout << endl;
//用反向迭代器遍历容器
for (vector<int>::reverse_iterator j = v.rbegin(); j != v.rend(); ++j)
cout << *j << " ";
return 0;
}
/*
程序的输出结果是:
0 1 2 3 4
8 6 4 2 0
*/
第 6 行,vector 容器有多个构造函数,如果用无参构造函数初始化,则容器一开始是空的。
第 10 行,begin 成员函数返回指向容器中第一个元素的迭代器。++i 使得 i 指向容器中的下一个元素。end 成员函数返回的不是指向最后一个元素的迭代器,而是指向最后一个元素后面的位置的迭代器,因此循环的终止条件是i != v.end()。
第 16 行定义了反向迭代器用以遍历容器。反向迭代器进行**++**操作后,会指向容器中的上一个元素。rbegin 成员函数返回指向容器中最后一个元素的迭代器,rend 成员函数返回指向容器中第一个元素前面的位置的迭代器,因此本循环实际上是从后往前遍历整个数组。
如果迭代器指向了容器中最后一个元素的后面或第一个元素的前面,再通过该迭代器访问元素,就有可能导致程序崩溃,这和访问 NULL 或未初始化的指针指向的地方类似。
第 10 行和第 16 行,写 ++i、++j 相比于写i++、j++,程序的执行速度更快。回顾++被重载成前置和后置运算符的例子如下:
CDemo CDemo::operator++ ()
{ //前置++
++n;
return *this;
}
CDemo CDemo::operator ++(int k)
{ //后置++
CDemo tmp(*this); //记录修改前的对象
n++;
return tmp; //返回修改前的对象
}
后置++要多生成一个局部对象 tmp,因此执行速度比前置的慢。 同理,迭代器是一个对象,STL 在重载迭代器的++运算符时,后置形式也比前置形式慢。在次数很多的循环中,++i和 i++ 可能就会造成运行时间上可观的差别了。因此,本教程在前面特别提到,对循环控制变量i,要养成写 ++i 、不写 i++ 的习惯。
注意,容器适配器 stack、queue 和 priority_queue 没有迭代器。容器适配器有一些成员函数,可以用来对元素进行访问。
迭代器的功能分类
不同容器的迭代器,其功能强弱有所不同。容器的迭代器的功能强弱,决定了该容器是否支持 STL 中的某种算法。例如,排序算法需要通过随机访问迭代器来访问容器中的元素,因此有的容器就不支持排序算法。
常用的迭代器按功能强弱分为输入、输出、正向、双向、随机访问五种,这里只介绍常用的三种:
正向迭代器。假设 p 是一个正向迭代器,则 p 支持以下操作:++p,p++,*p。此外,两个正向迭代器可以互相赋值,还可以用==和!=运算符进行比较。
双向迭代器。双向迭代器具有正向迭代器的全部功能。除此之外,若 p 是一个双向迭代器,则–p和p–都是有定义的。–p使得 p 朝和++p相反的方向移动。
随机访问迭代器。随机访问迭代器具有双向迭代器的全部功能。若 p 是一个随机访问迭代器,i 是一个整型变量或常量,则 p 还支持以下操作:
p+=i:使得 p 往后移动 i 个元素。
p-=i:使得 p 往前移动 i 个元素。
p+i:返回 p 后面第 i 个元素的迭代器。
p-i:返回 p 前面第 i 个元素的迭代器。
p[i]:返回 p 后面第 i 个元素的引用。
此外,两个随机访问迭代器 p1、p2 还可以用 <、>、<=、>= 运算符进行比较。p1
对于两个随机访问迭代器 p1、p2,表达式p2-p1也是有定义的,其返回值是 p2 所指向元素和 p1 所指向元素的序号之差(也可以说是 p2 和 p1 之间的元素个数减一)。
表1所示为不同容器的迭代器的功能:
容器 | 迭代器功能 |
---|---|
vector | 随机访问 |
deque | 随机访问 |
list | 双向 |
set / multiset | 双向 |
map / multimap | 双向 |
stack | 不支持迭代器 |
queue | 不支持迭代器 |
priority_queue | 不支持迭代器 |
例如,vector 的迭代器是随机迭代器,因此遍历 vector 容器有以下几种做法。下面的程序中,每个循环演示了一种做法。
【实例】遍历 vector 容器。
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
vector<int> v(100); //v被初始化成有100个元素
for(int i = 0;i < v.size() ; ++i) //size返回元素个数
cout << v[i]; //像普通数组一样使用vector容器
vector<int>::iterator i;
for(i = v.begin(); i != v.end (); ++i) //用 != 比较两个迭代器
cout << * i;
for(i = v.begin(); i < v.end ();++i) //用 < 比较两个迭代器
cout << * i;
i = v.begin();
while(i < v.end()) { //间隔一个输出
cout << * i;
i += 2; // 随机访问迭代器支持 "+= 整数" 的操作
}
}
list 容器的迭代器是双向迭代器。假设 v 和 i 的定义如下:
list<int> v;
list<int>::const_iterator i;
则以下代码是合法的:
for(i=v.begin(); i!=v.end(); ++i)
cout << *i;
以下代码则不合法:
for(i=v.begin(); i<v.end(); ++i)
cout << *i;
因为双向迭代器不支持用“<”进行比较。以下代码也不合法:
for(int i=0; i<v.size(); ++i)
cout << v[i];
因为 list 不支持随机访问迭代器的容器,也不支持用下标随机访问其元素。
在 C++ 中,数组也是容器。数组的迭代器就是指针,而且是随机访问迭代器。例如,对于数组 int a[10],int * 类型的指针就是其迭代器。则 a、a+1、a+2 都是 a 的迭代器。
STL 中有用于操作迭代器的三个函数模板,它们是:
advance(p, n):使迭代器 p 向前或向后移动 n 个元素。
distance(p, q):计算两个迭代器之间的距离,即迭代器 p 经过多少次 + + 操作后和迭代器 q 相等。如果调用时 p 已经指向 q 的后面,则这个函数会陷入死循环。
iter_swap(p, q):用于交换两个迭代器 p、q 指向的值。
要使用上述模板,需要包含头文件 algorithm。下面的程序演示了这三个函数模板的用法:
#include
#include
#include //要使用操作迭代器的函数模板,需要包含此文件
using namespace std;
int main()
{
int a[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
list <int> lst(a, a+5);
list <int>::iterator p = lst.begin();
advance(p, 2); //p向后移动两个元素,指向3
cout << "1)" << *p << endl; //输出 1)3
advance(p, -1); //p向前移动一个元素,指向2
cout << "2)" << *p << endl; //输出 2)2
list<int>::iterator q = lst.end();
q--; //q 指向 5
cout << "3)" << distance(p, q) << endl; //输出 3)3
iter_swap(p, q); //交换 2 和 5
cout << "4)";
for (p = lst.begin(); p != lst.end(); ++p)
cout << *p << " ";
return 0;
}
/*
程序的输出结果是:
1) 3
2) 2
3) 3
4) 1 5 3 4 2
*/
普通适配器是指容器适配器,迭代器适配器与容器适配器类似,只是底层不是一个容器而是附属容器的那个迭代器,因此结果不再是容器适配器而是迭代器适配器。
迭代器适配器分为插入迭代器、反向迭代器和流迭代器几种类型。
插入迭代器通常是作为参数向算法(如copy())说明向那个容器及其位置插入数据,而插入操作主要有insert()、push_back()和push_front,对应的插入迭代器为insert_iterator、front_insertor_iterator和back_insert_insert_iterator,下面重点介绍insert_iterator。
insert_iterator也称为inserters,用来将“赋值新值”操作转换为“插入新值”操作。通过这种迭代器,算法可以执行插入(insert)行为而非覆盖(overwrite)行为。例如有以下程序:
#include
#include
using namespace std;
void Displist(list<int>& firstlist) // 输出list容器的元素
{
list<int>::iterator it;
for (it = firstlist.begin(); it != firstlist.end(); it++)
cout << *it << " ";
cout << endl;
}
int main()
{
int a[] = { 2, 4, 1, 5, 3 };
int n = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
list<int> firstlist(a, a + n); // 定义 firstlist容器
int b[] = { 10, 12, 14, 16 };
int m = sizeof(b) / sizeof(b[0]);
list<int> secondlist(b, b + m); // 定义 secondlist 容器
list<int>::iterator it;
it = firstlist.begin(); // it指向 firstlist 的开头
advance(it, 3); // it移动3个元素
// 定义 firstlist 的插入迭代器 insert_it
insert_iterator<list<int>> insert_it(firstlist, it);
// 将 secondlist 元素复制到insert_it处
copy(secondlist.begin(), secondlist.end(), insert_it);
cout << "firstlist: "; Displist(firstlist);
cout << "secondlist: "; Displist(secondlist);
system("pause");
return 0;
}
/*
程序运行结果:
firstlist: 2 4 1 10 12 14 16 5 3
secondlist: 10 12 14 16
*/
上述程序使用 insert_iterator 迭代器 insert_it 将 secondlist 的所有元素插入第4个元素开始的地方。
反向迭代器重新定义递增运算和敌舰运算,使其行为与正向迭代器刚好倒置,成员函数 rbegin() 和 rend() 各传回一个反向迭代器,与 begin() 和end() 类似,共同定义一个半开区间。
流迭代器是一种迭代器适配器,通过它可以把 stream 当成算法的原点和终点,更明确地说,一个 istream 迭代器可以用来从输入流中度元素,而一个 ostream 迭代器可以用来对输出流写入元素。
istream 迭代器的一般定义格式如下:
istream_iterator<T> 标识符(istream &);
例如,以下语句定义的 istream 迭代器 ins 从键盘获取一个 int 整数序列:
istream_iterator<int> ins(cin);
以下语句定义的 istream 迭代器 ins 从 abc.txt 文件获取一个 int 整数序列:
istream infile("abc.txt");
istream_iterator<int> ins(infile);
ostream 迭代器的一般定义格式如下:
ostream_iterator<T> 标识符(ostream &);
ostream_iterator<T> 标识符(ostream &, char *delimiter);
其中,delimiter 是一个 C 风格字符串,它被输出到每个元素的后面。例如,以下语句定义的 ostream 迭代器 outs 向屏幕输出一个 int 整数序列:
ostream_iterator<int> outs(cout, " ");
以下语句定义的 ostream 迭代器 outs 向 abc.txt 文件中写入一个 int 整形序列:
ostream outfile("abc.txt");
ostream_iterator<int> outs(outfile,"\n");
例如有以下程序及其输出结果:
#include
#include
#include
#include
using namespace std;
int main()
{
int a[] = { 2,4,1,5,3 };
int n = sizeof(a) / sizeof(a[0]);
vector<int> myv(a, a + n); // 定义 myv 容器
sort(myv.begin(), myv.end()); // 递增排序
ostream_iterator<int> outs(cout, " "); // 定义 ostream 迭代器 outs
cout << "myv: ";
copy(myv.begin(), myv.end(), outs); cout << endl;
system("pause");
return 0;
}
/*
程序结果:
myv: 1 2 3 4 5
*/