C++学习篇——C++ STL中迭代器介绍

迭代器（iterator）是连接容器和算法的纽带，为数据提供了抽象，使写算法的人不必关心各种数据结构的细节。迭代器提供了数据访问的标准模型——对象序列，使对容器更广泛的访问操作成为可能。
泛型编程的关键所在，就是如何找到一种通用的方法，来访问具有不同结构的各种容器中的每个元素，而这正是迭代器的功能。
迭代器是一种广义的指针，是指向序列元素指针概念的一种抽象。迭代器可以指向容器中的任意元素，还能遍历整个容器。

（序列）容器是数组的抽象，而迭代器则是指向数组指针的抽象。迭代器虽然是广义的指针，但是，迭代器并不是通用的指针。不同的容器可能需要不同的迭代器，实际上，在STL中，为每种容器都typedef了一个迭代器，名为iterator。例如，vector<T>的迭代器类型为<vector<T>::iterator（是一种随机访问迭代器）、list<T>的迭代器类型为list<T>::iterator（是一种双向迭代器）。
（1）特征与操作
l         迭代器的基本特征有：
n         解除——支持解除引用（dereference）操作，以便可以访问它引用的值。即，如果p是一个迭代器，则应该对*p和p->进行定义（似指针）；
n         赋值——可将一个迭代器赋给另一个迭代器。即，如果p和q都是迭代器，则应该对表达式p=q进行定义；
n         比较——可将一个迭代器与另一个迭代器进行比较。即，如果p和q都是迭代器，则应该对表达式p==q和p!=q进行定义；
n         遍历——可以使用迭代器来遍历容器中的元素，这可以通过为迭代器p定义++p和p++操作来实现。
l         迭代器的操作有：
n         读——通过解除引用*来间接引用容器中的元素值，例如x = *p;
n         写——通过解除引用*来给容器中的元素赋值，例如*p = x;
n         访问——通过下标和指向引用容器中的元素及其成员，例如p[2]和p->m
n         迭代——利用增量和减量运算（++和--、+和-、+=和-=）在容器中遍历、漫游和跳跃，例如p++、--p、p+5、p-=8
n         比较——利用比较运算符（==、！=、<、>、<=、>=）来比较两个迭代器是否相等或谁大谁小，例如if(p < q)……;、wihle(p != c.end())……;
不同的泛型算法，对迭代器的要求也是不同的。例如，查找算法，只要求定义++操作符，以便迭代器能遍历整个容器，读取每一个元素的值来进行比较；但是，查找算法，并不需要修改数据，所以不要求写操作。排序算法则要求能随机访问，以便交换不相邻的元素；这需要对迭代器iter定义+操作，以便能够使用像iter + 12这样的表达式；另外，排序算法还要求可以读写数据。
（2）分类
根据迭代器所支持的操作不同，在STL中定义了如下5种迭代器：
l         输入迭代器（input iterator）——用于读取容器中的信息，但不一定能够修改它。
n         输入迭代器iter通过解除引用（即*iter），来读取容器中其所指向元素之值；
n         为了使输入迭代器能够访问容器中的所有元素的值，必须使其支持（前/后缀格式的）++ 操作符；
n         输入迭代器不能保证第二次遍历容器时，顺序不变；也不能保证其递增后，先前指向的值不变。即，基于输入迭代器的任何算法，都应该是单通（single-pass）的，不依赖于前一次遍历时的值，也不依赖于本次遍历中前面的值。
可见输入迭代器是一种单向的只读迭代器，可以递增但是不能递减，而且只能读不能写。适用于单通只读型算法。
l         输出迭代器（output iterator）——用于将信息传输给容器（修改容器中元素的值），但是不能读取。例如，显示器就是只能写不能读的设备，可用输出容器来表示它。也支持解除引用和++操作，也是单通的。所以，输出迭代器适用于单通只写型算法。
l         前向迭代器（forward iterator正向迭代器）——只能使用++操作符来单向遍历容器（不能用--）。与I/O迭代器一样，前向迭代器也支持解除引用与++操作。与I/O迭代器不同的是，前向迭代器是多通的（multi-pass）。即，它总是以同样的顺序来遍历容器，而且迭代器递增后，仍然可以通过解除保存的迭代器引用，来获得同样的值。另外，前向迭代器既可以是读写型的，也可以是只读的。
l         双向迭代器（bidirectional iterator）——可以用++和--操作符来双向遍历容器。其他与前向迭代器一样，也支持解除引用、也是多通的、也是可读写或只读的。
l         随机访问迭代器（random access iterator）——可直接访问容器中的任意一个元素的双向迭代器。
可见，这5种迭代器形成了一个层次结构：I/O迭代器（都可++遍历，但是前者只读/后者只写）最基本、前向迭代器可读写但只能++遍历、双向迭代器也可读写但能++/--双向遍历、随机迭代器除了能够双向遍历外还能够随机访问。
 


 
注意：各种迭代器的类型并不是确定的，而只是一种概念性的描述。不能用面向对象的语言来表达迭代器的种类，迭代器的种类只是一系列的要求，而不是一种类型（类）。在STL中，用概念（concept）一词来描述这一系列要求。因此，有输入迭代器概念和双向迭代器概念，但是却没有输入迭代器类型和双向迭代器类型。

（3）声明
迭代器类iterator和函数的声明都位于命名空间std中，可以在头文件<iterator>中找到：
namespace std { // 取自C++2003标准
// primitives:基础/原语
template<class Iterator> struct iterator_traits; // 迭代器特征
template<class T> struct iterator_traits<T*>; // 指针的专门化
template<class Category, class T, class Distance = ptrdiff_t, class Pointer = T*, class Reference = T&> struct iterator; // 迭代器
struct input_iterator_tag {}; // 迭代器标志（类别）
struct output_iterator_tag {};
struct forward_iterator_tag: public input_iterator_tag {};
struct bidirectional_iterator_tag: public forward_iterator_tag {};
struct random_access_iterator_tag: public bidirectional_iterator_tag {};
// iterator operations:迭代器操作
template <class InputIterator, class Distance> void advance(InputIterator& i, Distance n);
template <class InputIterator> typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type distance(InputIterator first, InputIterator last);
// predefined iterators:预定义迭代器（及其比较运算符重载）
template <class Iterator> class reverse_iterator; // 反向迭代器
template <class Iterator> bool operator==(const reverse_iterator<Iterator>& x, const reverse_iterator<Iterator>& y);
template <class Iterator> bool operator<(const reverse_iterator<Iterator>& x, const reverse_iterator<Iterator>& y);
template <class Iterator> bool operator!=(const reverse_iterator<Iterator>& x, const reverse_iterator<Iterator>& y);
template <class Iterator> bool operator>(const reverse_iterator<Iterator>& x, const reverse_iterator<Iterator>& y);
template <class Iterator> bool operator>=(const reverse_iterator<Iterator>& x, const reverse_iterator<Iterator>& y);
template <class Iterator> bool operator<=(const reverse_iterator<Iterator>& x, const reverse_iterator<Iterator>& y);
template <class Iterator> typename reverse_iterator<Iterator>::difference_type operator- (const reverse_iterator<Iterator>& x, const reverse_iterator<Iterator>& y);
template <class Iterator> reverse_iterator<Iterator> operator+(typename reverse_iterator <Iterator>::difference_type n, const reverse_iterator<Iterator>& x);
// 插入器
template <class Container> class back_insert_iterator;
template <class Container> back_insert_iterator<Container> back_inserter(Container& x);
template <class Container> class front_insert_iterator;
template <class Container> front_insert_iterator<Container> front_inserter(Container& x);
template <class Container> class insert_iterator;
template <class Container, class Iterator>
insert_iterator<Container> inserter(Container& x, Iterator i);
// stream iterators:流迭代器
template <class T, class charT = char, class traits = char_traits<charT>, class Distance = ptrdiff_t> class istream_iterator;
template <class T, class charT, class traits, class Distance> bool operator==(const istream_iterator<T,charT,traits,Distance>& x, const istream_iterator<T, charT, traits, Distance>& y);
template <class T, class charT, class traits, class Distance> bool operator!=(const istream_iterator<T,charT,traits,Distance>& x, const istream_iterator<T, charT, traits, Distance>& y);
template <class T, class charT = char, class traits = char_traits<charT> > class ostream_iterator;
template<class charT, class traits = char_traits<charT> > class istreambuf_iterator;
template <class charT, class traits> bool operator==(const istreambuf_iterator<charT, traits>& a, const istreambuf_iterator<charT,traits>& b);
template <class charT, class traits> bool operator!=(const istreambuf_iterator<charT, traits>& a, const istreambuf_iterator<charT,traits>& b);
template <class charT, class traits = char_traits<charT> > class ostreambuf_iterator;
}
（4）预定义迭代器
STL有一个使用方便的预定义迭代器集合，其中包括正向迭代器、反向迭代器、插入器和流迭代器。
 
l         正向迭代器：
template<class Category, class T, class Distance = ptrdiff_t, class Pointer = T*, class Reference = T&> struct iterator;
在所有的标准容器类中，都定义了返回iterator对象的成员函数begin()和end()。例如

namespace std {
template <class T, class Allocator = allocator<T> > class vector {
public:
                     ……
// iterators:迭代器
iterator begin(); // 指向首元素
const_iterator begin() const;
iterator end(); // 指向尾元素后的一个位置
const_iterator end() const;
reverse_iterator rbegin(); // 指向反向序列的首元素
const_reverse_iterator rbegin() const;
reverse_iterator rend(); // 指向反向序列尾元素后的一个位置
const_reverse_iterator rend() const;
                     ……
              }
}

通过在程序中调用它们，就可以得到正向迭代器 iterator的对象，从而能够正向遍历容器。例如：（c为任意标准容器对象，op为某一函数对象）
for_each(c.begin(), c.end(), op);
 
l         反向迭代器：
template <class Iterator> class reverse_iterator;
在标准容器中调用rbegin()和rend()，就可以得到反向迭代器 reverse_iterator的对象，从而可反向遍历容器。例如：

// Revers.cpp
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;

int main() 
{
  ifstream in("Revers.cpp");
  if(!in) {
       cout << " Open file Revers.cpp error ! " << endl;
       return 1;
  }

  string line;
  vector<string> lines;
  while(getline(in, line)) lines.push_back(line);

  for(vector<string>::reverse_iterator r = lines.rbegin();
         r != lines.rend(); r++)
    cout << *r << endl;
}

运行结果 为将此代码反序输出。先输出最后一行
l         插入器
如果需要输出或复制元素到容器，又不想覆盖容器中原有的内容，还要避免溢出，这就需要插入器来帮忙。STL提供了三种插入器，分别对应于后插、前插和中插：
template <class Container> class back_insert_iterator; // 在尾部插入
template <class Container> back_insert_iterator<Container> back_inserter(Container& x);
template <class Container> class front_insert_iterator; // 在头部插入
template <class Container> front_insert_iterator<Container> front_inserter(Container& x);
template <class Container> class insert_iterator; // 在中间插入
template <class Container, class Iterator>
insert_iterator<Container> inserter(Container& x, Iterator i);
例如：

// Insert.cpp
#include <iostream>
#include <vector>
#include <deque>
#include <list>
#include <iterator>

using namespace std;

int a[] = { 1, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23 }; // 质数序列

template<class Cont> void frontInsertion(Cont& ci)
{ // 前插
  copy(a, a + sizeof(a)/sizeof(Cont::value_type), front_inserter(ci)); // 插入a
  // 插入空格
  copy(ci.begin(), ci.end(), ostream_iterator<typename Cont::value_type>(cout, " "));
  cout << endl;
}

template<class Cont> void backInsertion(Cont& ci) 
{ // 后插
  copy(a, a + sizeof(a)/sizeof(Cont::value_type), back_inserter(ci)); // 插入a
  // 插入空格
  copy(ci.begin(), ci.end(), ostream_iterator<typename Cont::value_type>(cout, " "));
  cout << endl;
}

template<class Cont> void midInsertion(Cont& ci) 
{ // 中插
  typename Cont::iterator it = ci.begin();
  ++it; ++it; ++it; // 迭代器指向第4个元素
  copy(a, a + sizeof(a)/(sizeof(Cont::value_type) * 2), inserter(ci, it)); // 插入9/2=4个数
  // 插入空格
  copy(ci.begin(), ci.end(), ostream_iterator<typename Cont::value_type>(cout, " "));
  cout << endl;
}

int main() 
{
  deque<int> di;
  list<int> li;
  vector<int> vi;

  frontInsertion(di);
  frontInsertion(li);
  // frontInsertion(vi); // 对向量不能使用前插
  di.clear();
  li.clear();
  backInsertion(vi);
  backInsertion(di);
  backInsertion(li);
  midInsertion(vi);
  midInsertion(di);
  midInsertion(li);
}

运行结果为：
23 19 17 13 11 7 5 3 1
23 19 17 13 11 7 5 3 1
1 3 5 7 11 13 17 19 23
1 3 5 7 11 13 17 19 23
1 3 5 7 11 13 17 19 23
1 3 5 1 3 5 7 7 11 13 17 19 23
1 3 5 1 3 5 7 7 11 13 17 19 23
1 3 5 1 3 5 7 7 11 13 17 19 23
 
l         流迭代器
一般I/O是通过C++的流库或C的I/O函数完成的，也可以通过GUI的对话框等来进行I/O操作。这些I/O接口的基本目标，是读取各种类型的单个值。
为了使I/O能够以序列的方式呈现，将流I/O融入容器和算法的通用框架之中，STL还提供了4个流迭代器的模版类：
n         istream_iterator——用于从输入流读取
n         ostream_iterator——用于向输出流写入
n         istreambuf_iterator——用于从输入流缓冲区读取
n         ostreambuf_iterator——用于向输出流缓冲区写入
从输入流读取的操作，由对输入流迭代器is的间接引用*is的赋值来进行，在每两次输入之间，必须进行一次增量操作，为下一次输入做好准备。类似地，写出到输出流的操作，由对输出流迭代器os的间接引用*os的赋值来进行，在每两次输出之间，也必须进行一次增量操作，为下一次输出做好准备。
例如：

// Stream.cpp
#include<iostream>
#include<iterator>

using namespace std;

int main() 
{
   ostream_iterator<int> os(cout); // 将int通过os输出到cout
   *os = 5; // 输出5（用cout << 5;）
   os++; // 准备好下一次的输出
   *os = 80;
   istream_iterator<int> is(cin); // 通过is从cin读入int
   int i1 = *is; // 输入到i1
   is++; // 准备好下一次的输入
   int i2 = *is; // 输入到i2
   cout << "i1 = " << i1 << ",  i2 = " << i2 << endl;
}

运行结果如下：
580
78          
56
i1 = 78, i2 = 56
 
又例如：

// StreamIt.cpp
#include <fstream> 
#include <iostream>
#include <iterator>
#include <string>
#include <vector>
using namespace std;

int main() 
{
  ifstream in("StreamIt.cpp");
  istream_iterator<string> begin(in), end;
  ostream_iterator<string> out(cout, " ");

  vector<string> vs;
  copy(begin, end, back_inserter(vs));
  copy(vs.begin(), vs.end(), out);
  *out++ = vs[0];
  *out++ = "That's all, folks!";
}

（5）指针与迭代器
既然迭代器是广义的指针，那么指针本身是不是迭代器呢？其实，指针满足所有迭代器的要求，所以，指针就是一种迭代器。
迭代器是泛型算法的接口，而指针是迭代器。所以，各种STL算法，也可以使用指针，来对非标准容器（如数组）进行操作。即，利用指针做迭代器，可以将STL算法用于常规数组。
例如排序函数sort：
sort(Ran first, Ran last); // Ran表示随机访问迭代器
对容器c为：
sort(c.begin(), c.end());
对数组a可以改为：（const int SIZE = 100; float a[SIZE];）
sort(a, a + SIZE);
又例如复制函数copy：
copy(In first, In last, Out res); // In和Out分别表示输入和输出迭代器
对容器c<int>可为：（ostream_iterator<int> out_iter(cout);）
copy(c.begin(), c.end(), out_iter);
对数组a可以改为：（const int SIZE = 100; float a[SIZE];）
copy(a, a + SIZE, c.begin());