724-C++迭代器iterator详解

迭代器概念

迭代器有什么用处?泛型算法的参数为什么接收的都是迭代器?

迭代器iterator是C++ STL的组件之一,作用是用来遍历容器,而且是通用的遍历容器元素的方式,无论容器是基于什么数据结构实现的,尽管不同的数据结构,遍历元素的方式不一样,但是用迭代器遍历不同容器的代码是完全一样的。经典的迭代器遍历容器的代码如下:

vector<int>::iterator it = vec.begin();
for (; it != vec.end(); ++it)
{
	cout << *it << " ";
}
cout << endl;
unordered_set<int>::iterator it = us.begin();
for (; it != us.end(); ++it)
{
	cout << *it << " ";
}
cout << endl;

实际上,C++11新标准的foreach语句,对于容器的遍历就是通过迭代器iterator实现的,如果容器没有实现iterator迭代器,那么foreach语句也无法遍历容器,上面vector容器的遍历代码可以简化为:

for (int val : vec)//实际上是用迭代器遍历容器vec
{
	cout << val << " ";
}
cout << endl;

迭代器一般实现为容器的嵌套类型,在容器内部提供具体的实现。但是容器不同,底层元素遍历的方式也不同,那么为什么说迭代器遍历所有容器的方式是一样的呢?
那是因为迭代器提供了常用的operator!=,operator++,operator*等运算符的重载函数,把迭代容器的细节全部隐藏在这些通用的运算符重载函数里面,因此用户侧表现出来的就是,迭代器遍历所有容器的方式都是一样的,其实底层都是不一样的风景!

所以刚开始的那个问题就可以回答了,泛型算法是针对很多容器实现的通用算法,肯定需要一种统一的方式遍历容器的元素,只有迭代器才能做到!

iterator迭代器实现

这部分提供一个极简的vector容器实现,然后给它提供一个迭代器iterator的实现,看看容器迭代器的原理是什么,这里面容器的空间配置器直接使用C++标准库的allocator默认实现。
下面是极简vector容器以及迭代器的代码实现:

#include 

//简单的vector容器实现,主要查看其嵌套类iterator迭代器的实现
template<typename T,
	typename Alloc = std::allocator<T>>
	class MyVector
{
public:
	MyVector(const Alloc& alloc = Alloc())
		:_allocator(alloc)
	{
		_first._ptr = _last._ptr = _end._ptr = nullptr;
	}

	template<typename T>
	void push_back(T&& val)
	{
		if (full())
			resize();
		_allocator.construct(_last._ptr, std::forward<T>(val));
		_last._ptr++;
	}

	void pop_back()
	{
		if (empty())
			return;
		_last._ptr--;
		_allocator.destroy(_last._ptr);
	}

	bool full()const { return _last._ptr == _end._ptr; }
	bool empty()const { return _first._ptr == _last._ptr; }

	//容器迭代器的实现
	class iterator
	{
	public:
		friend class MyVector;
		iterator(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr) {}
		void operator++() { ++_ptr; }
		bool operator!=(const iterator& it) { return _ptr != it._ptr; }
		T& operator*() { return *_ptr; }
		T* operator->() { return _ptr; }
	private:
		T* _ptr;
	};
	//容器的begin方法返回首元素迭代器
	iterator begin() { return iterator(_first._ptr); }
	//容器的end方法返回末尾元素后继位置的迭代器
	iterator end() { return iterator(_last._ptr); }
private:
	iterator _first;//指向数组其实地址
	iterator _last;//指向最后一个有效元素的后继位置
	iterator _end;//指向数据空间末尾元素的后继位置
	Alloc _allocator;//容器底层的空间配置器

	//容器的扩容函数
	void resize()
	{
		if (_first._ptr == nullptr)
		{
			_first._ptr = _allocator.allocate(1);
			_last._ptr = _first._ptr;
			_end._ptr = _first._ptr + 1;
		}
		else
		{
			int size = _last._ptr - _first._ptr;
			T* ptmp = _allocator.allocate(2 * size);
			for (int i = 0; i < size; ++i)
			{
				_allocator.construct(ptmp + i, _first._ptr[i]);
				_allocator.destroy(_first._ptr + i);
			}
			_allocator.deallocate(_first._ptr, size);
			_first._ptr = ptmp;
			_last._ptr = _first._ptr + size;
			_end._ptr = _first._ptr + 2 * size;
		}
	}
};

从上面的代码可以看到,容器的iterator实现成容器的嵌套类类型,提供了迭代容器常用的运算符重载函数,容器本身提供了begin和end方法,begin返回容器首元素的迭代器,end返回容器末尾元素后继位置的迭代器。

容器迭代器失效问题

容器的迭代器失效问题还是比较常考到的,随着VS版本的迭代,g++版本的迭代,C++标准库容器以及迭代器的源码都有比较大的修改,但是迭代器失效的问题本质归纳起来就两点:

1>不同容器的迭代器是不能进行比较的
2>容器的元素进行增加、删除操作后,原来的迭代器就全部失效了

这个从源码上能够清晰的看出来,在两个迭代器iterator进行operator!=比较操作的时候,都会进行_Compat这样的一个判断:

const _Container_base12 *_Getcont() const noexcept
		{	// get owning container
		return (_Myproxy == nullptr ? nullptr : _Myproxy->_Mycont);
		}

void _Compat(const _Vector_const_iterator& _Right) const
		{	// test for compatible iterator pair
 #if _ITERATOR_DEBUG_LEVEL == 0
		(void)_Right;
 #else /* ^^^ _ITERATOR_DEBUG_LEVEL == 0 ^^^ // vvv _ITERATOR_DEBUG_LEVEL != 0 vvv */
		_STL_VERIFY(this->_Getcont() == _Right._Getcont(), "vector iterators incompatible");
 #endif /* _ITERATOR_DEBUG_LEVEL == 0 */
		}

用迭代器遍历容器的时候,每一次都会判断当前迭代器it != container.end()是否已经到达容器的末尾迭代器,当上面两个条件发生以后,这里_STL_VERIFY(this->_Getcont() == _Right._Getcont(), “vector iterators incompatible”);这个判断就失败了,程序运行报错,提示迭代器不匹配,意思就是迭代器失效了!

那迭代器失效怎么办?
答案就是要对迭代器进行实时更新,如下面的代码:

#include 
#include 
int main()
{
	std::vector<int> vec1;
	for (int i = 0; i < 20; ++i)
	{
		vec1.push_back(rand() % 100);
	}

	//删除所有偶数
	auto it = vec1.begin();
	while (it != vec1.end())
	{
		if (*it % 2 == 0)
		{
			//这里要对迭代器进行实时更新,否则容器元素改变,it迭代器失效!
			it = vec1.erase(it);
		}
		else
		{
			++it;
		}
	}

	for (int v : vec1)
	{
		std::cout << v << " ";
	}
	std::cout << std::endl;
	return 0;
}

724-C++迭代器iterator详解_第1张图片

const_iterator迭代器实现

const_iterator和上面的普通iterator比较起来就是,通过iterator可读可写而const_iterator只能读取容器元素,不能修改容器元素,const_iterator在设计上,一般作为iterator的基类而存在,因为一个iterator对象可以初始化const_iterator,反过来是不行的,它们的操作几乎一样,除了读写权限不同。

在上面MyVector演示代码的基础上,实现const_iterator常量迭代器,代码如下:

#include 

//简单的vector容器实现,主要查看其嵌套类iterator迭代器的实现
template<typename T,
	typename Alloc = std::allocator<T>>
	class MyVector
{
public:
	MyVector(const Alloc& alloc = Alloc())
		:_allocator(alloc)
	{
		_first._ptr = _last._ptr = _end._ptr = nullptr;
	}

	template<typename T>
	void push_back(T&& val)
	{
		if (full())
			resize();
		_allocator.construct(_last._ptr, std::forward<T>(val));
		_last._ptr++;
	}

	void pop_back()
	{
		if (empty())
			return;
		_last._ptr--;
		_allocator.destroy(_last._ptr);
	}

	bool full()const { return _last._ptr == _end._ptr; }
	bool empty()const { return _first._ptr == _last._ptr; }

	//容器常量迭代器的实现
	class const_iterator
	{
	public:
		friend class MyVector;
		const_iterator(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr) {}
		void operator++() { ++_ptr; }
		bool operator!=(const const_iterator& it) { return _ptr != it._ptr; }
		//返回值被const修饰,只能读,不能修改
		const T& operator*()const { return *_ptr; }
		const T* operator->()const { return _ptr; }
	protected:
		T* _ptr;
	};

	//普通iterator继承自const_iterator
	class iterator : public const_iterator
	{
	public:
		iterator(T* ptr = nullptr)
			:const_iterator(ptr) {}
		//返回类型是T&的普通引用,可读可写
		T& operator*() { return *const_iterator::_ptr; }
		T* operator->() { return const_iterator::_ptr; }
	};
	//容器的begin方法返回首元素迭代器
	iterator begin() { return iterator(_first._ptr); }
	//容器的end方法返回末尾元素后继位置的迭代器
	iterator end() { return iterator(_last._ptr); }

	//常对象调用常begin和end方法返回的是常量迭代器,只能读容器数据,不能修改
	const_iterator begin()const { return const_iterator(_first._ptr); }
	const_iterator end()const { return const_iterator(_last._ptr); }

private:
	iterator _first;//指向数组其实地址
	iterator _last;//指向最后一个有效元素的后继位置
	iterator _end;//指向数据空间末尾元素的后继位置
	Alloc _allocator;//容器底层的空间配置器

	//容器的扩容函数
	void resize()
	{
		if (_first._ptr == nullptr)
		{
			_first._ptr = _allocator.allocate(1);
			_last._ptr = _first._ptr;
			_end._ptr = _first._ptr + 1;
		}
		else
		{
			int size = _last._ptr - _first._ptr;
			T* ptmp = _allocator.allocate(2 * size);
			for (int i = 0; i < size; ++i)
			{
				_allocator.construct(ptmp + i, _first._ptr[i]);
				_allocator.destroy(_first._ptr + i);
			}
			_allocator.deallocate(_first._ptr, size);
			_first._ptr = ptmp;
			_last._ptr = _first._ptr + size;
			_end._ptr = _first._ptr + 2 * size;
		}
	}
};

可以写如下代码测试,常量迭代器只能读取,不能修改:

int main()
{
	MyVector<int> vec;
	for (int i = 0; i < 20; ++i)
	{
		vec.push_back(rand() % 100);
	}

	MyVector<int>::const_iterator cit = vec.begin();
	for (; cit != vec.end(); ++cit)
	{
		std::cout << *cit << " ";//这里*cit不能被赋值作为左值
	}
	std::cout << std::endl;

	return 0;
}

724-C++迭代器iterator详解_第2张图片

reverse_iterator和const_reverse_iterator的设计

实际上反向迭代器reverse_iterator和反向常量迭代器const_reverse_iterator就是通过正向迭代器iterator和const_iterator实现的,通过用正向迭代器实例化得到相应的反向迭代器,看下面代码演示实现:

#include 

//反向迭代器实现
template<typename Iterator>
class _reverse_iterator
{
public:
	using value_type = typename Iterator::value_type;
	//通过一个正向迭代器构建一个反向迭代器
	_reverse_iterator(Iterator it) :_it(it) {}

	template<typename Other>
	_reverse_iterator(const _reverse_iterator<Other>& src)
		: _it(src._it) {}

	bool operator!=(const _reverse_iterator<Iterator>& it)
	{
		return _it != it._it; // 实际调用的还是正向迭代器的operator!=函数
	}
	void operator++() { --_it; }//反向迭代器的++操作,就是正向迭代器的--操作
	value_type& operator*() { return *_it; }
	value_type* operator->() { return &(*this); }//获取迭代的元素的地址
private:
	Iterator _it;//反向迭代器依赖容器的正向迭代器实现

	template<typename Other>
	friend class _reverse_iterator;
};

//简单的vector容器实现,主要查看其嵌套类iterator迭代器的实现
template<typename T,
	typename Alloc = std::allocator<T>>
	class MyVector
{
public:
	//类型前置声明
	class const_iterator;
	class iterator;
	//定义反向迭代器和反向常量迭代器的类型名称
	using reverse_iterator = _reverse_iterator<iterator>;
	using const_reverse_iterator = _reverse_iterator<const_iterator>;

	MyVector(const Alloc& alloc = Alloc())
		:_allocator(alloc)
	{
		_first._ptr = _last._ptr = _end._ptr = nullptr;
	}

	template<typename T>
	void push_back(T&& val)
	{
		if (full())
			resize();
		_allocator.construct(_last._ptr, std::forward<T>(val));
		_last._ptr++;
	}

	void pop_back()
	{
		if (empty())
			return;
		_last._ptr--;
		_allocator.destroy(_last._ptr);
	}

	bool full()const { return _last._ptr == _end._ptr; }
	bool empty()const { return _first._ptr == _last._ptr; }

	//容器常量迭代器的实现
	class const_iterator
	{
	public:
		using value_type = const T;

		friend class MyVector;
		const_iterator(T* ptr = nullptr)
			:_ptr(ptr) {}
		void operator++() { ++_ptr; }
		void operator--() { --_ptr; }
		bool operator!=(const const_iterator& it) { return _ptr != it._ptr; }
		//返回值被const修饰,只能读,不能修改
		const T& operator*()const { return *_ptr; }
		const T* operator->()const { return _ptr; }
	protected:
		T* _ptr;
	};

	//普通iterator继承自const_iterator
	class iterator : public const_iterator
	{
	public:
		using value_type = T;

		iterator(T* ptr = nullptr)
			:const_iterator(ptr) {}
		//返回类型是T&的普通引用,可读可写
		T& operator*() { return *const_iterator::_ptr; }
		T* operator->() { return const_iterator::_ptr; }
	};
	//容器的begin方法返回首元素迭代器
	iterator begin() { return iterator(_first._ptr); }
	//容器的end方法返回末尾元素后继位置的迭代器
	iterator end() { return iterator(_last._ptr); }

	//常对象调用常begin和end方法返回的是常量迭代器,只能读容器数据,不能修改
	const_iterator begin()const { return const_iterator(_first._ptr); }
	const_iterator end()const { return const_iterator(_last._ptr); }

	//rbegin返回的是最后一个有效元素的迭代器表示
	reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(iterator(_last._ptr - 1)); }
	//rend返回的是首元素的前导位置
	reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(iterator(_first._ptr - 1)); }
	//rbegin返回的是最后一个有效元素的迭代器表示
	const_reverse_iterator rbegin()const { return const_reverse_iterator(iterator(_last._ptr - 1)); }
	//rend返回的是首元素的前导位置
	const_reverse_iterator rend()const { return const_reverse_iterator(iterator(_first._ptr - 1)); }
private:
	iterator _first;//指向数组其实地址
	iterator _last;//指向最后一个有效元素的后继位置
	iterator _end;//指向数据空间末尾元素的后继位置
	Alloc _allocator;//容器底层的空间配置器

	//容器的扩容函数
	void resize()
	{
		if (_first._ptr == nullptr)
		{
			_first._ptr = _allocator.allocate(1);
			_last._ptr = _first._ptr;
			_end._ptr = _first._ptr + 1;
		}
		else
		{
			int size = _last._ptr - _first._ptr;
			T* ptmp = _allocator.allocate(2 * size);
			for (int i = 0; i < size; ++i)
			{
				_allocator.construct(ptmp + i, _first._ptr[i]);
				_allocator.destroy(_first._ptr + i);
			}
			_allocator.deallocate(_first._ptr, size);
			_first._ptr = ptmp;
			_last._ptr = _first._ptr + size;
			_end._ptr = _first._ptr + 2 * size;
		}
	}
};

上面新增加的代码,就是反向迭代器的代码,可以安装Beyond Compare软件来对比代码的更改,体会反向迭代器的优秀设计。代码测试如下:

int main()
{
	MyVector<int> vec;
	for (int i = 0; i < 20; ++i)
	{
		vec.push_back(rand() % 100);
	}

	//正向遍历容器元素
	auto it = vec.begin();
	for (; it != vec.end(); ++it)
	{
		std::cout << *it << " ";
	}
	std::cout << std::endl;

	//反向遍历容器元素
	MyVector<int>::const_reverse_iterator rit = vec.rbegin();
	for (; rit != vec.rend(); ++rit)
	{
		std::cout << *rit << " ";
		// *rit = 20; 反向常量迭代器不能修改容器元素的值
	}
	std::cout << std::endl;

	return 0;
}

724-C++迭代器iterator详解_第3张图片

insert插入型迭代器

C++标准库中提供了一些插入型迭代器,主要用于泛型算法当中,给容器添加元素,插入行迭代器有:
724-C++迭代器iterator详解_第4张图片
示例代码:

#include 
#include 
#include //包含泛型算法
#include //包含各类迭代器
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> vec;
	for (int i = 0; i < 20; ++i)
	{
		vec.push_back(rand() % 100);
	}

	vector<int> vec2;
	//通过back末尾插入型迭代器,把vec容器的元素按末尾插入方式,到vec2中
	copy(vec.begin(), vec.end(), back_inserter(vec2));
	for (int v : vec2)
	{
		cout << v << " ";
	}
	cout << endl;

	list<int> mylist;
	//把vec容器的元素逆序,插入到list容器当中
	reverse_copy(vec.begin(), vec.end(), back_inserter(mylist));
	for (int v : mylist)
	{
		cout << v << " ";
	}
	cout << endl;

	return 0;
}

流迭代器

在C++中,不管是标准的输入输出流,还是文件流,或者是字符串流,也可以看作容器,那么C++库提供了流迭代器,看下面代码示例:

#include 
#include 
#include
#include //包含泛型算法
#include //包含各类迭代器
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> vec;
	//通过输入流迭代器,从标准输入设备获取int,头插到vec容器当中
	copy(istream_iterator<int>(cin), istream_iterator<int>(),
		inserter(vec, vec.begin()));

	vector<int> vec2;
	copy(vec.begin(), vec.end(), back_inserter(vec2));
	//通过输出流迭代器,把vec2容器的元素输出到cout中
	copy(vec2.begin(), vec2.end(), ostream_iterator<int>(cout, " "));
	cout << endl;

	list<int> mylist;
	reverse_copy(vec.begin(), vec.end(), back_inserter(mylist));
	//通过输出流迭代器,把mylist容器的元素输出到cout中
	copy(mylist.begin(), mylist.end(), ostream_iterator<int>(cout, " "));
	cout << endl;

	return 0;
}

可以看到,借助copy泛型算法、插入行迭代器、istream_iterator输入流迭代器和ostream_iterator输出流迭代器,可以很方便的进行流操作,文件流和字符串流同理。

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