《STL源码剖析》——迭代器（iterators）概念与traits编程技法（一）

一、迭代器设计思维——STL关键所在

        STL的中心思想在于：将数据容器（containers）和算法（algorithms）分开，彼此独立设计，最后再以一帖粘合剂将它们撮合在一起。

二、迭代器（iterator）是一种 smart pointer

        迭代器是一种行为类似指针的对象，而指针的各种行为中最常见也最重要的便是内容提领（dereference）和成员访问（member access），因此，迭代器最重要的编程工作就是对 operator* 和 operator-> 进行重载（overloading）工作。

        每一种STL容器都提供有专属迭代器的缘故。

三、Traits编程技法——STL源代码门钥

        若要 traits 能够有效运作，每一个迭代器必须遵循约定，自行以内嵌型别定义（nested typedef）的方式定义出相应型别（associated types）。根据经验，最常用到的迭代器相应型别有五类：value type，difference type，pointer，reference，iterator catagoly。

// "榨汁机"traits
template <class Iterator>
struct iterator_traits {
  typedef typename Iterator::iterator_category iterator_category;
  typedef typename Iterator::value_type        value_type;
  typedef typename Iterator::difference_type   difference_type;
  typedef typename Iterator::pointer           pointer;
  typedef typename Iterator::reference         reference;
};

        1. 迭代器相应型别之一：value type

        value type，是指迭代器所指对象的型别。任何一个打算与STL算法有完美搭配的 class，都应该定义自己的value type内嵌型别。

        2. 迭代器相应型别之二：difference type

        difference type 用来表示两个迭代器之间的距离。针对相应型别 difference type，traits 的如下两个（针对原生指针而写的）特化版本，以C++内建的ptrdiff_t（定义于<cstddef>头文件）作为原生指针的difference type：

template<class Iterator>
struct iterator_traits {
    ...
    typedef typename Iterator::difference_type   difference_type;
};

// 针对原生指针而设计的“偏特化（partial  specialization）”版
template <class T>
struct iterator_traits<T *> {
    ...
    typedef ptrdiff_t    difference_type;
};

// 针对原生的 pointer-to-const 而设计的“偏特化（partial specialization）”版
template <class T>
struct iterator_traits<const T*> {
    ...
    typedef ptrdiff_t  difference_type;
};

        3. 迭代器相应型别之三：reference type

        4. 迭代器相应型别之四：pointer type

template<class Iterator>
struct iterator_traits {
    ...
    typedef typename Iterator::pointer pointer;
    typedef typename Iterator::reference  reference;
};

// 针对原生指针而设计的“偏特化（partial  specialization）”版
template <class T>
struct iterator_traits<T *> {
    ...
    typedef T*  pointer;
    typedef T&  reference;
};

// 针对原生的 pointer-to-const 而设计的“偏特化（partial specialization）”版
template <class T>
struct iterator_traits<const T*> {
    ...
    typedef const T*  pointer;
    typedef const T&  reference;
};

        5. 迭代器相应型别之五：iterator_category

        根据移动特性与施行操作，迭代器被分为五类：

                a. Input Iterator：这种迭代器所指的对象，不允许外界改变。只读（read only）。

                b. Output Iterator：唯写（write only）。

                c. Forward Iterator：允许“写入型”算法在此种迭代器所形成的区间上进行读写操作。

                d. Bidirectional Iterator：可双向移动。某些算法需要逆向走访某个迭代器区间，可以使用 Bidirectional Iterator。

                e. Random Access Iterator：前四种迭代器都只供应一部分指针算术能力（前三种支持 operator++，第四种在加上 operator--），第五种则涵盖所有指针算术能力，包括 p+n, p-n, p[n], p1 - p2, p1 < p2。

四、std::iterator 的保证

        为了符合规范，任何迭代器都应该提供五个内嵌相应型别，以利于 traits 萃取，否则便是自别于整个STL架构，可能无法与其它 STL 组件顺利搭配。STL 提供了一个 iterators class 如下，如果每个新设计的迭代器都继承自它，就可保证符合 STL 所需之规则：

template <class Category,
                  class T,
                  class Distance = ptrdiff_t,
                  class Pointer = T*,
                  class Reference = T&>
struct iterator {
    typedef Category   iterator_category;
    typedef T                value_type;
    typedef Distance    difference_type;
    typedef Pointer       pointer;
    typedef Reference   reference;
};

        由于后三个参数皆有默认值，故新的迭代器只需提供前两个参数即可。