C++ STL全面解析：六大核心组件之一----迭代器（STL进阶学习）

迭代器（iterator）

迭代器的分类

迭代器的使用

创建迭代器

迭代器的基本操作

使用迭代器遍历容器

迭代器的有效性和安全性

迭代器的类型

迭代器与算法

迭代器设计思维

迭代器的本质

文件 mylist-iter.h

文件 mylist-iter-test.cpp

迭代器相应类型

C++标准模板库（STL）是一组高效的数据结构和算法的集合，广泛应用于C++程序设计中。STL由六大核心组件组成，分别是：

容器（Containers）：各种数据结构，如vector，list，deque等等。
迭代器（Iterators）：扮演容器域算法之间的胶合剂，是所谓的”泛型指针“
算法（Algorithms）：各种常用算法，例如sort，search，copy，erase等等。
函数对象（Function Objects）：又名为仿函数，行为类似函数，可作为算法的某种策略。
适配器（Adapters）：一种用来修饰容器或者仿函数或迭代器接口的东西，例如：stack和queue。
分配器（Allocators）：负责空间配置域管理，从实现角度来看他是一个管理空间的模板类。

STL六大组件的交互关系，容器通过分配器获取数据存储空间，算法则通过迭代器去存取容器的内容，（这也是为什么说迭代器是类似于一种胶合剂的角色），仿函数则可以协助算法完成不同的策略变化，适配器可以修饰或者套接仿函数。

迭代器（iterator）

迭代器可以被视为指向容器中元素的一个“指针”。它可以指向容器中的任意位置，并且提供了基本的指针操作，如递增（++）、递减（--）、解引用（*）等。迭代器作为我们日常编程中的常客之一，其重要性不言而喻。

注：以下内容部分参考自《STL源码剖析》。

迭代器的分类

迭代器可以根据功能的不同分为以下几类：

输入迭代器（Input Iterator）：只能读取数据，支持前向移动（++）和解引用（*）操作。
输出迭代器（Output Iterator）：只能写入数据，支持前向移动（++）和赋值（operator *）操作。
前向迭代器（Forward Iterator）：结合了输入迭代器和输出迭代器的功能，支持前向移动（++）和解引用（*）操作。
双向迭代器（Bidirectional Iterator）：除了前向迭代器的功能外，还支持反向移动（--）操作。
随机访问迭代器（Random Access Iterator）：除了双向迭代器的功能外，还支持通过索引快速访问元素（operator[]）。

迭代器的使用

创建迭代器

大多数标准容器（如 std::vector, std::list, std::map 等）提供了 begin() 和 end() 成员函数来获取迭代器：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it_begin = vec.begin();  // 指向容器的第一个元素
auto it_end = vec.end();      // 指向容器的最后一个元素之后的位置

迭代器的基本操作

迭代器提供了以下基本操作：

解引用（dereference）：*it 获取迭代器指向的元素。
递增（increment）：++it 将迭代器移动到下一个元素。
递减（decrement）：--it 将迭代器移动到前一个元素。
比较：it1 == it2 或 it1 != it2 比较两个迭代器是否指向同一位置。

使用迭代器遍历容器

遍历容器中的元素通常使用迭代器来实现：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};// 使用迭代器遍历
for (auto it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {std::cout << *it << std::endl;
}// 使用范围 for 循环（C++11 及以上版本）
for (const auto& element : vec) {std::cout << element << std::endl;
}

迭代器的有效性和安全性

迭代器的有效性是指迭代器是否仍然指向容器中的有效元素。如果容器发生改变（如插入或删除元素），迭代器可能会变得无效。例如：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = vec.begin();// 插入一个元素会导致迭代器失效
vec.insert(it, 0);// 此时 it 可能不再有效

为了保证迭代器的安全性，通常需要在操作容器之前检查迭代器的有效性，并在容器改变后重新获取迭代器。

迭代器的类型

C++ 标准库中的容器提供了特定类型的迭代器，可以通过类型别名方便地访问：

std::vector<int>::iterator it;  // 随机访问迭代器
std::list<int>::iterator it;    // 双向迭代器
std::map<int, int>::iterator it;// 双向迭代器
std::set<int>::iterator it;     // 双向迭代器

迭代器与算法

C++ 标准库中的算法（如 std::sort, std::find, std::reverse 等）通常接受迭代器作为参数，允许在不同类型的容器上使用相同的算法：

std::vector<int> vec = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6};
std::sort(vec.begin(), vec.end());  // 排序int value = 2;
auto it = std::find(vec.begin(), vec.end(), value);  // 查找if (it != vec.end()) {std::cout << "Found " << value << " at position " << std::distance(vec.begin(), it) << td::endl;
}

迭代器设计思维

首先我们要知道STL设计时的中心思想：在使用时将容器和算法分开来，彼此独立设计，但是我如果想让容器使用算法怎么使用？迭代器就是两者之间的粘合剂。这个不难理解，我们日常在编程中会用到大量的例子。例如我们创建了个vector，我们可能会用到sort等算法，我们通常的做法就是把vector的头尾迭代器发给find，然后即可查找。例图如下

现在我们知道迭代器是容器和算法之间的粘合剂，但是表面看来迭代器貌似是依附于容器的一个指针对吧。但是它只能依附于容器之下吗？是否有一些独立的用途？

迭代器的本质

迭代器本质上可以视为一种智能指针。虽然迭代器具备普通指针的基本操作，如 ++ 和 --，但迭代器内部封装了更多的细节和检查机制，使其更加安全和易于使用。智能指针则是一种用于包装原生指针的对象，它能够有效地管理内存，防止内存泄漏。智能指针的用法如下，和原生指针一摸一样。

上面意思是，首先是new了一个处置为jjhou的string对象，然后用auto_ptr<string>类型的指针指向了这个对象。注意：auto_ptr括号内放的是“原生指针所指对象”的型别，而不是原生指针的型别。

如果我们自己设计一个迭代器的话该如何设计呢？首先我们需要有一个迭代器的模板。

有了模仿对象后，我们现在以List为例设计一个迭代器。假设list的结构如下：

如果让这个list与算法结合到一起呢？没错，那就是设计一个迭代器让他们粘合在一起。当我们获取迭代器是传回来的应该是一个ListItem的一个对象，递增是则指向下一个ListItem对象，反之递减。为了让我们的迭代器去适合任何类型的节点，这里设计时我们需要用到class template。

文件 `mylist-iter.h`

#ifndef MYLIST_ITER_H
#define MYLIST_ITER_H#include "mylist.h"template<class Item>
struct ListIter {  // 这个迭代器特定只为链表服务，因为其独特的 operator++Item* ptr;  // 保持与容器之间的一个联系（保持对容器的引用）ListIter(Item* p = nullptr) : ptr(p) {}  // 默认构造函数// 不必实现 copy ctor，因为编译器提供的缺省行为已足够// 不必实现 operator=，因为编译器提供的缺省行为已足够Item& operator*() const { return *ptr; }Item* operator->() const { return ptr; }// 以下两个 operator++ 遵循标准做法，参见 [Meyers96] 条款 6// (1) 前缀递增操作ListIter& operator++() {ptr = ptr->next;return *this;}// (2) 后缀递增操作ListIter operator++(int) {ListIter tmp = *this;++(*this);return tmp;}bool operator==(const ListIter& i) const {return ptr == i.ptr;}bool operator!=(const ListIter& i) const {return ptr != i.ptr;}
};#endif // MYLIST_ITER_H

文件 `mylist-iter-test.cpp`

此文件中我们把List和Find由ListIter粘合起来.

#include "mylist.h"
#include "mylist-iter.h"
#include <iostream>void main() {List<int> mylist;// 插入元素for (int i = 0; i < 5; ++i) {mylist.insert_front(i);mylist.insert_end(i + 2);}// 输出列表std::cout << "List contents: ";mylist.display();std::cout << std::endl;// 创建迭代器ListIter<ListItem<int>> begin(mylist.front());ListIter<ListItem<int>> end(nullptr);  // 默认为 nullListIter<ListItem<int>> iter;// 查找元素iter = find(begin, end, 3);if (iter == end) {std::cout << "Not found" << std::endl;} else {std::cout << "Found: " << iter->value() << std::endl;}// 再次查找元素iter = find(begin, end, 7);if (iter == end) {std::cout << "Not found" << std::endl;} else {std::cout << "Found: " << iter->value() << std::endl;}
}

从上方的一些实现细节我们可以看出，为了完成一个针对List而设计的迭代器，我们会暴露很多List实现细节。例如在制作begin和end时就暴露了ListItem。这在我们日常编程时可能没有什么太大的关系，但是在STL中这是一件非常不好的事，可能会影响一些封装性等。既然无可避免，那不如把List迭代器的开发工作交给List的创作人即可，这样实现细节可以最大性质的被封装起来。这也是为什么每种STL容器都有各自专属的迭代器。