各类iterator 迭代器详解

STL设计的精髓在于，把容器（Containers）和算法（Algorithms）分开，彼此独立设计，最后再用迭代器（Iterator）把他们粘 合在一起。可见迭代器在STL中的重要程度。迭代器已经作为一种设计思想被记录与《设计模式》中，它的意图在于“提供一种方法顺序访问一个聚合对象中的各 个元素，而又不需暴露该对象的内部表示”。

迭代器的作用其实相当于一个智能指针，它指向容器内部的数据，可以通过operator *操作符来解指针获得数据的值，也可以通过operator ->操作符来获取数据的指针，还能够重载++,--等运算符来移动指针。

迭代器的分类

迭代器大致可以分为以下几种：

1、Input Interator ：只允许作为输入，也就是只读（Read Only）
2、Output Interator ：只允许作为输出，也就是只写（Write Only）
3、Forward Interator ：允许读写，但只能做前向移动
4、Bidirectional Interator ：允许读写，可以做双向移动
5、Random Access Interator ：允许读写，可以任意移动

struct input_iterator_tag {};
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 {};

实现原理

下面以List为例说明迭代器的原理

// List节点的定义
template
struct __list_node {
typedef void* void_pointer;
void_pointer next;
void_pointer prev;
T data;
};

// List迭代器的定义
template
struct __list_iterator {
// 这三个typedef是为了简化后面的代码书写
typedef __list_iterator             iterator;
typedef __list_iterator const_iterator;
typedef __list_iterator           self;

typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;     // 迭代器类型属于bidirectional iterator
typedef T value_type;     // 值类型
typedef Ptr pointer;      // 指针类型
typedef Ref reference;    // 引用类型
typedef __list_node* link_type;    // 节点指针类型
typedef size_t size_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;

link_type node;   // 迭代器当前所指的节点

// 三种构造函数
__list_iterator(link_type x) : node(x) {}
__list_iterator() {}
__list_iterator(const iterator& x) : node(x.node) {}

// ==和!=操作符重载
bool operator==(const self& x) const { return node == x.node; }
bool operator!=(const self& x) const { return node != x.node; }
  
// *操作符，汲取所指节点中的数据
reference operator*() const { return (*node).data; }
// ->操作符，汲取所指节点中数据的地址
pointer operator->() const { return &(operator*());
// 前置++操作符，指向下一个节点
self& operator++() {
    node = (link_type)((*node).next);
    return *this;
}
// 后置++操作符，指向下一个节点
self operator++(int) {
    self tmp = *this;
    ++*this;
    return tmp;
}
// 前置--操作符，指向前一个节点
self& operator--() {
    node = (link_type)((*node).prev);
    return *this;
}
// 后置--操作符，指向前一个节点
self operator--(int) {
    self tmp = *this;
    --*this;
    return tmp;
}
};

template
class list {
...
...

public:
typedef __list_iterator             iterator;          // 注意iterator所用的就是__list_iterator
typedef __list_iterator const_iterator;

...
...

protected:
link_type node;   // 头节点,该List其实是一个带头节点的双向循环链表

public:
list() { empty_initialize(); }

iterator begin() { return (link_type)((*node).next); }        // 返回头节点的下一个节点，即第一个节点的iterator
const_iterator begin() const { return (link_type)((*node).next); }
iterator end() { return node; }               // 返回头节点的iterator，其实就是返回链表的结尾
const_iterator end() const { return node; }
  
...
...
}
如果我们对List容器使用find算法，这一过程中会发生什么？
int a[] = {1,2,3,4,5};
list l(a, a+5);
list::iterator it = find(l.begin(), l.end(), 3);
cout << *it << end;

先看看find函数的定义

template
InputIterator find(InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {
while (first != last && *first != value) ++first;
return first;
}
我们所调用的find函数的特化版本其实是：
find<__list_iterator, int>(__list_iterator first, __list_iterator last, const int& value)
从而find函数中所用到的!=、*、++等操作符都作用在__list_iterator的身上，这正是泛型的作用所在。

STL中迭代器的各种特性

还记得我在《STL源码剖析学习笔记2——神奇的__type_traits》中所提到的traits编程技巧么？在STL的迭代器中同样用到了这种技巧，因为STL的迭代器在使用的时候需要了解各种迭代器的特性。主要特性包含以下几种：
1、iterator_category：表示迭代器所属的类型
2、value_type：表示迭代器所指数据的类型
3、difference_type：表示两个迭代器之间的距离类型
4、pointer：表示迭代器所指数据的指针类型
5、reference：表示迭代器所指数据的引用类型

通常迭代器的几种特性被放在iterator_traits中。

// 对所有Iterator的泛化
template
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;
};

// 对指针类型的偏特化（Partial Spetialization）
template
struct iterator_traits {
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;     // 指针类型是可以随机访问的
typedef T                          value_type;            // 值类型
typedef ptrdiff_t                  difference_type;       // 指针类型之间的距离一定是整型（ptrdiff_t被定义为int型）
typedef T*                         pointer;
typedef T&                         reference;
};
template
struct iterator_traits {      // 同上，只不过这里是常量指针
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
typedef T                          value_type;
typedef ptrdiff_t                  difference_type;
typedef const T*                   pointer;
typedef const T&                   reference;
};
各种不同的迭代器的特性定义如下：

// input iterator的属性
template struct input_iterator {
typedef input_iterator_tag iterator_category;
typedef T                  value_type;
typedef Distance           difference_type;
typedef T*                 pointer;
typedef T&                 reference;
};
// output iterator的属性
struct output_iterator {
typedef output_iterator_tag iterator_category;
typedef void                value_type;
typedef void                difference_type;
typedef void                pointer;
typedef void                reference;
};
// forward iterator的属性
template struct forward_iterator {
typedef forward_iterator_tag iterator_category;
typedef T                    value_type;
typedef Distance             difference_type;
typedef T*                   pointer;
typedef T&                   reference;
};
// bidirectional iterator的属性
template struct bidirectional_iterator {
typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
typedef T                          value_type;
typedef Distance                   difference_type;
typedef T*                         pointer;
typedef T&                         reference;
};
// random access iterator的属性
template struct random_access_iterator {
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
typedef T                          value_type;
typedef Distance                   difference_type;
typedef T*                         pointer;
typedef T&                         reference;
};
通过iterator_traits就能得到相应interator的各种特性，这样可以让程序更灵活，也能提高效率。
下面几个例子是为了说明iterator_traits在STL中的使用
eg1. count模板函数，它的返回值必须使用difference_type

template
typename iterator_traits::difference_type
count(InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {
typename iterator_traits::difference_type n = 0;   // 萃取迭代器的difference_type类型
for ( ; first != last; ++first)
    if (*first == value)
      ++n;
return n;
}
eg2. advance模板函数，为了提高效率，必须针对不同类型的iterator重载不同的处理函数

template
inline void advance(InputIterator& i, Distance n) {
__advance(i, n, iterator_category(i));    // 根据不同的类型调用不同的重载函数
}

// iterator_category函数的定义
template
inline typename iterator_traits::iterator_category
iterator_category(const Iterator&) {
typedef typename iterator_traits::iterator_category category;   // 其实就是返回Iterator的iterator_category类型
return category();
}
再看__advance函数针对不同迭代器的三种版本，它们分别针对input iterator、forward iterator、Bidirectional iterator和Random access iterator四种不同的迭代器

// 针对input iterator和forward iterator的版本
template
inline void __advance(InputIterator& i, Distance n, input_iterator_tag) {
while (n--) ++i; // 只能单向移动
}
// 针对Bidirectional iterator的版本
template
inline void __advance(BidirectionalIterator& i, Distance n,
                      bidirectional_iterator_tag) {
if (n >= 0)           // 根据方向不同有不同的处理
    while (n--) ++i;
else
    while (n++) --i;
}
// 针对Random access iterator的版本
template
inline void __advance(RandomAccessIterator& i, Distance n,
                      random_access_iterator_tag) {
i += n;   // 随机访问，提高效率
}
总的来说，在STL中是由容器（container）来负责设计适当的迭代器（iterator），由迭代器（iterator）来负责设计适当的迭代器 属性。正因为这一点才使得容器和算法可以完全分离开来，通过迭代器提供的接口来访问容器的内部元素。在这里我们又一次看到了traits编程技巧的强大功 能，在很大程度上弥补了C++语言不是强类型语言的不足之处。