迭代器是什么

在学习c++ STL的时候，整天碰到迭代器，也整天用，但是，到底它是个什么东西，很多人没有一个认识。这里我通过几个小的DEMO，来看看迭代器。首先我实现了一个十分简陋的vector类：

template <class T>
class vector {
private:
    T* pbegin;
    int n; //当前大小
public:
    vector() {
        pbegin = new T[100]; //暂时先固定大小
        n = 0;
    }

    T* begin() {
        return pbegin;
    }
    void insert(T d){
        pbegin[n++] = d;
    }
    typedef T* iterator; //vector的迭代器就是基础指针类型
};

我们知道，vector是数组实现的，也就是说，只要知道数组的首地址，就能知道后面每个元素的位置，所以，访问vector的迭代器，其实就是一个基础的指针类型，我们可以通过++,--等操作，来遍历访问该vector。

//测试vector
    vector<int> a;
    a.insert(1);
    a.insert(2);
    vector<int>::iterator itra;
    itra = a.begin();
    printf("%d/n", *itra);
    itra++;
    printf("%d/n", *itra);
    itra--; //基础指针类型都支持++,--,+,-等操作符
    printf("%d/n", *itra);

 哇~~，原来vector的迭代器那么简单，那么，我们来考虑一下List，这是链表，我们知道，链表每个元素都存储在不同的位置，我们一般通过指向下一个元素的next指针来找到下一个元素。那么，我们怎么样来设计一个迭代器，然后可以直接对这个迭代器进行++,--等操作二遍历访问整个链表呢：

template <class T>
class List{
private:
    struct Node{ //链表的节点
        T data;
        Node* next;
    };
    Node* pbegin; //表头
    class List_iterator{ //链表的迭代器
        Node* cur; //当前指向
    public:
        void operator = (Node* ptr) {
            cur = ptr;
        }
        void operator ++ () {
            cur = cur->next;
        }
        // ...还可以重载-- + -等操作符
        T operator * (){
            return cur->data;
        }
    };
public :
    List() {
        pbegin=NULL;
    }
    Node* begin() {
        return pbegin;
    }
    void insert(T d) {
        Node* p=pbegin;
        while(p && p->next) p=p->next;
        Node* t = new Node;
        t->data = d;
        t->next = NULL;
        if(pbegin==NULL)
            pbegin = t;
        else
            p->next = t;
    }
    typedef List_iterator iterator; //List的迭代器是一个类
};

为List设计的迭代器是一个类，这个类支持++操作来向后移动遍历链表：

/测试List
    List<int> b;
    b.insert(1);
    b.insert(2);
    List<int>::iterator itrb;
    itrb = b.begin();
    printf("%d/n", *itrb);
    itrb++; // 该迭代器只支持++
    printf("%d/n", *itrb);

通过这两个例子，可以看出，迭代器是跟容器紧密结合的，不同的容器，它的迭代器不同，但是，他们有共同的目标，就是可以通过该迭代器，来遍历访问这个容器里面的元素。这样带来的好处是在STL设计算法时，可以脱离容器而设计更加通用的算法。比如，在容器中查找一个元素。查找，这个操作一般来说就是遍历整个集合，然后找到那个要找的元素，但是，如果没有迭代器，我们需要为vector和List设计两个查找算法，因为找下一个元素在vector和List中的操作不同。同样的思想却要两套代码，显然这是不优秀的。

      有了模板，我们可以将算法和特定的数据分离开来，而有了迭代器，我们可以将算法和特定的容器分离开来。

1. 迭代器(iterator)是一中检查容器内元素并遍历元素的数据类型。
(1) 每种容器类型都定义了自己的迭代器类型，如vector:
vector::iterator iter;这条语句定义了一个名为iter的变量，它的数据类型是由vector定义的iterator类型。
(2) 使用迭代器读取vector中的每一个元素：
vector ivec(10,1);
for(vector::iterator iter=ivec.begin();iter!=ivec.end();++iter)
{
    *iter=2; //使用 * 访问迭代器所指向的元素
}
const_iterator:
只能读取容器中的元素，而不能修改。
for(vector::const_iterator citer=ivec.begin();citer!=ivec.end();citer++)
{
    cout<<*citer;
    //*citer=3; error
}
vector::const_iterator 和 const vector::iterator的区别
const vector::iterator newiter=ivec.begin();
*newiter=11; //可以修改指向容器的元素
//newiter++; //迭代器本身不能被修改 
(3) iterator的算术操作：
iterator除了进行++,--操作，可以将iter+n,iter-n赋给一个新的iteraor对象。还可以使用一个iterator减去另外一个iterator.
const vector::iterator newiter=ivec.begin();
vector::iterator newiter2=ivec.end();
cout<<"\n"< 一個很典型使用vector的STL程式:
1 #include
2 #include
3 
4 using namespace std;
5 
6 int main() {
7 vector ivec;
8 ivec.push_back(1);
9 ivec.push_back(2);
10 ivec.push_back(3);
11 ivec.push_back(4);
12 
13 for(vector::iterator iter = ivec.begin();1. iter != ivec.end(); ++iter)
14 cout << *iter << endl;
15 }
2. Iterator（迭代器）模式
一、概述
    Iterator（迭代器）模式又称Cursor（游标）模式，用于提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素, 而又不需暴露该对象的内部表示。或者这样说可能更容易理解：Iterator模式是运用于聚合对象的一种模式，通过运用该模式，使得我们可以在不知道对象内部表示的情况下，按照一定顺序（由iterator提供的方法）访问聚合对象中的各个元素。
    由于Iterator模式的以上特性：与聚合对象耦合，在一定程度上限制了它的广泛运用，一般仅用于底层聚合支持类，如STL的list、vector、stack等容器类及ostream_iterator等扩展iterator。
    根据STL中的分类，iterator包括：
Input Iterator：只能单步向前迭代元素，不允许修改由该类迭代器引用的元素。
Output Iterator：该类迭代器和Input Iterator极其相似，也只能单步向前迭代元素，不同的是该类迭代器对元素只有写的权力。
Forward Iterator：该类迭代器可以在一个正确的区间中进行读写操作，它拥有Input Iterator的所有特性，和Output Iterator的部分特性，以及单步向前迭代元素的能力。
Bidirectional Iterator：该类迭代器是在Forward Iterator的基础上提供了单步向后迭代元素的能力。
Random Access Iterator：该类迭代器能完成上面所有迭代器的工作，它自己独有的特性就是可以像指针那样进行算术计算，而不是仅仅只有单步向前或向后迭代。
    这五类迭代器的从属关系，如下图所示，其中箭头A→B表示，A是B的强化类型，这也说明了如果一个算法要求B，那么A也可以应用于其中。

input output
      \ /
forward
       |
bidirectional
       |
random access
 图1、五种迭代器之间的关系
    vector 和deque提供的是RandomAccessIterator，list提供的是BidirectionalIterator，set和map提供的 iterators是 ForwardIterator，关于STL中iterator迭代器的操作如下：
说明：每种迭代器均可进行包括表中前一种迭代器可进行的操作。
迭代器操作                      说明
(1)所有迭代器
p++                              后置自增迭代器
++p                              前置自增迭代器
(2)输入迭代器
*p                                 复引用迭代器，作为右值
p=p1                             将一个迭代器赋给另一个迭代器
p==p1                           比较迭代器的相等性
p!=p1                            比较迭代器的不等性
(3)输出迭代器
*p                                 复引用迭代器，作为左值
p=p1                             将一个迭代器赋给另一个迭代器
(4)正向迭代器
提供输入输出迭代器的所有功能
(5)双向迭代器
--p                                前置自减迭代器
p--                                后置自减迭代器
(6)随机迭代器
p+=i                              将迭代器递增i位
p-=i                               将迭代器递减i位
p+i                                在p位加i位后的迭代器
p-i                                 在p位减i位后的迭代器
p[i]                                返回p位元素偏离i位的元素引用
p p<=p1                           p的位置在p1的前面或同一位置时返回true，否则返回false
p>p1                             如果迭代器p的位置在p1后，返回true，否则返回false
p>=p1                           p的位置在p1的后面或同一位置时返回true，否则返回false
    只有顺序容器和关联容器支持迭代器遍历，各容器支持的迭代器的类别如下：
容器                 支持的迭代器类别            容器               支持的迭代器类别            容器                 支持的迭代器类别
vector              随机访问                      deque              随机访问                       list                   双向
set                   双向                            multiset            双向                           map                 双向
multimap          双向                             stack                不支持                        queue              不支持
priority_queue   不支持
二、结构
Iterator模式的结构如下图所示：

图2、Iterator模式类图示意
三、应用
    Iterator模式有三个重要的作用：
1）它支持以不同的方式遍历一个聚合.复杂的聚合可用多种方式进行遍历，如二叉树的遍历，可以采用前序、中序或后序遍历。迭代器模式使得改变遍历算法变得很容易: 仅需用一个不同的迭代器的实例代替原先的实例即可，你也可以自己定义迭代器的子类以支持新的遍历，或者可以在遍历中增加一些逻辑，如有条件的遍历等。
2）迭代器简化了聚合的接口. 有了迭代器的遍历接口，聚合本身就不再需要类似的遍历接口了，这样就简化了聚合的接口。
3）在同一个聚合上可以有多个遍历 每个迭代器保持它自己的遍历状态，因此你可以同时进行多个遍历。
4）此外，Iterator模式可以为遍历不同的聚合结构（需拥有相同的基类）提供一个统一的接口，即支持多态迭代。
    简单说来，迭代器模式也是Delegate原则的一个应用，它将对集合进行遍历的功能封装成独立的Iterator，不但简化了集合的接口，也使得修改、增 加遍历方式变得简单。从这一点讲，该模式与Bridge模式、Strategy模式有一定的相似性，但Iterator模式所讨论的问题与集合密切相关， 造成在Iterator在实现上具有一定的特殊性，具体将在示例部分进行讨论。
四、优缺点
     正如前面所说，与集合密切相关，限制了 Iterator模式的广泛使用，就个人而言，我不大认同将Iterator作为模式提出的观点，但它又确实符合模式“经常出现的特定问题的解决方案”的 特质，以至于我又不得不承认它是个模式。在一般的底层集合支持类中，我们往往不愿“避轻就重”将集合设计成集合 + Iterator 的形式，而是将遍历的功能直接交由集合完成，以免犯了“过度设计”的诟病，但是，如果我们的集合类确实需要支持多种遍历方式（仅此一点仍不一定需要考虑 Iterator模式，直接交由集合完成往往更方便），或者，为了与系统提供或使用的其它机制，如STL算法，保持一致时，Iterator模式才值得考 虑。
五、举例
    可以考虑使用两种方式来实现Iterator模式：内嵌类或者友元类。通常迭代类需访问集合类中的内部数据结构，为此，可在集合类中设置迭代类为friend class，但这不利于添加新的迭代类，因为需要修改集合类，添加friend class语句。也可以在抽象迭代类中定义protected型的存取集合类内部数据的函数，这样迭代子类就可以访问集合类数据了，这种方式比较容易添加新的迭代方式，但这种方式也存在明显的缺点：这些函数只能用于特定聚合类，并且，不可避免造成代码更加复杂。
    STL的list::iterator、deque::iterator、rbtree::iterator等采用的都是外部Iterator类的形式，虽然STL的集合类的iterator分散在各个集合类中，但由于各Iterator类具有相同的基类，保持了相同的对外的接口（包括一些traits及tags等，感兴趣者请认真阅读参考1、2），从而使得它们看起来仍然像一个整体，同时也使得应用algorithm成为可能。我们如果要扩展STL的iterator，也需要注意这一点，否则，我们扩展的iterator将可能无法应用于各algorithm。
以下是一个遍历二叉树的Iterator的例子，为了方便支持多种遍历方式，并便于遍历方式的扩展，其中还使用了Strategy模式（见笔记21）：
（注：1、虽然下面这个示例是本系列所有示例中花费我时间最多的一个，但我不得不承认，它非常不完善，感兴趣的朋友，可以考虑参考下面的参考材料将其补充完善，或提出宝贵改进意见。2、 我本想考虑将其封装成与STL风格一致的形式，使得我们遍历二叉树必须通过Iterator来进行，但由于二叉树在结构上较线性存储结构复杂，使访问必须 通过Iterator来进行，但这不可避免使得BinaryTree的访问变得异常麻烦，在具体应用中还需要认真考虑。3、以下只提供了Inorder<中序>遍历iterator的实现。）