STL組件之迭代器如何實現

小編給大家分享一下STL組件之迭代器如何實現，相信大部分人都還不怎么了解，因此分享這篇文章給大家參考一下，希望大家閱讀完這篇文章后大有收獲，下面讓我們一起去了解一下吧！

STL的一個重要特點是數據結構和算法的分離。盡管這是個簡單的概念，但這種分離確實使得STL變得非常通用。例如，由于STL的sort()函數是完全通用的，你可以用它來操作幾乎任何數據集合，包括鏈表，容器和數組。

要點

STL算法作為模板函數提供。為了和其他組件相區別，在本書中STL算法以后接一對圓括弧的方式表示，例如sort()。

STL 另一個重要特性是它不是面向對象的。為了具有足夠通用性，STL主要依賴于模板而不是封裝，繼承和虛函數（多態性）——OOP的三個要素。你在STL中找不到任何明顯的類繼承關系。這好像是一種倒退，但這正好是使得STL的組件具有廣泛通用性的底層特征。另外，由于STL是基于模板，內聯函數的使用使得生成的代碼短小高效。

提示

確保在編譯使用了STL的程序中至少要使用-O優化來保證內聯擴展。

STL組件

STL提供了大量的模板類和函數，可以在OOP和常規編程中使用。所有的STL的大約50個算法都是完全通用的，而且不依賴于任何特定的數據類型。下面的小節說明了三個基本的STL組件：

1）迭代器提供了訪問容器中對象的方法。例如，可以使用一對迭代器指定list或vector中的一定范圍的對象。迭代器就如同一個指針。事實上，C++的指針也是一種迭代器。但是，迭代器也可以是那些定義了operator*()以及其他類似于指針的操作符地方法的類對象。

2）容器是一種數據結構，如list，vector，和deques ，以模板類的方法提供。為了訪問容器中的數據，可以使用由容器類輸出的迭代器。

3）算法是用來操作容器中的數據的模板函數。例如，STL用sort()來對一個vector中的數據進行排序，用find()來搜索一個list中的對象。函數本身與他們操作的數據的結構和類型無關，因此他們可以在從簡單數組到高度復雜容器的任何數據結構上使用。

1、頭文件

為了避免和其他頭文件沖突， STL的頭文件不再使用常規的.h擴展。為了包含標準的string類，迭代器和算法，用下面的指示符：

#include <string>  #include <iterator>  #include <algorithm>

如果你查看STL的頭文件，你可以看到象iterator.h和stl_iterator.h這樣的頭文件。由于這些名字在各種STL實現之間都可能不同，你應該避免使用這些名字來引用這些頭文件。為了確保可移植性，使用相應的沒有.h后綴的文件名。

2、名字空間

你的編譯器可能不能識別名字空間。名字空間就好像一個信封，將標志符封裝在另一個名字中。標志符只在名字空間中存在，因而避免了和其他標志符沖突。例如，可能有其他庫和程序模塊定義了sort()函數，為了避免和STL地sort()算法沖突，STL的sort()以及其他標志符都封裝在名字空間std中。 STL的sort()算法編譯為std::sort()，從而避免了名字沖突。

盡管你的編譯器可能沒有實現名字空間，你仍然可以使用他們。為了使用STL，可以將下面的指示符插入到你的源代碼文件中，典型地是在所有的#include指示符的后面：

using namespace std;

3、迭代器

迭代器提供對一個容器中的對象的訪問方法，并且定義了容器中對象的范圍。迭代器就如同一個指針。事實上，C++的指針也是一種迭代器。但是，迭代器不僅僅是指針，因此你不能認為他們一定具有地址值。例如，一個數組索引，也可以認為是一種迭代器。

迭代器有各種不同的創建方法。程序可能把迭代器作為一個變量創建。一個STL容器類可能為了使用一個特定類型的數據而創建一個迭代器。作為指針，必須能夠使用*操作符類獲取數據。你還可以使用其他數學操作符如++。典型的，++操作符用來遞增迭代器，以訪問容器中的下一個對象。如果迭代器到達了容器中的***一個元素的后面，則迭代器變成past-the-end值。使用一個past-the-end值得指針來訪問對象是非法的，就好像使用NULL或為初始化的指針一樣。

（1）提示

STL不保證可以從另一個迭代器來抵達一個迭代器。例如，當對一個集合中的對象排序時，如果你在不同的結構中指定了兩個迭代器，第二個迭代器無法從***個迭代器抵達，此時程序注定要失敗。這是STL靈活性的一個代價。STL不保證檢測毫無道理的錯誤。

（2）迭代器的類型

對于STL數據結構和算法，你可以使用五種迭代器。下面簡要說明了這五種類型：

• Input iterators 提供對數據的只讀訪問。

• Output iterators 提供對數據的只寫訪問

• Forward iterators 提供讀寫操作，并能向前推進迭代器。

• Bidirectional iterators提供讀寫操作，并能向前和向后操作。

• Random access iterators提供讀寫操作，并能在數據中隨機移動。

盡管各種不同的STL實現細節方面有所不同，還是可以將上面的迭代器想象為一種類繼承關系。從這個意義上說，下面的迭代器繼承自上面的迭代器。由于這種繼承關系，你可以將一個Forward迭代器作為一個output或input迭代器使用。同樣，如果一個算法要求是一個bidirectional 迭代器，那么只能使用該種類型和隨機訪問迭代器。

指針迭代器

正如下面的小程序顯示的，一個指針也是一種迭代器。該程序同樣顯示了 STL的一個主要特性——它不只是能夠用于它自己的類類型，而且也能用于任何C或C++類型。Listing 1, iterdemo.cpp, 顯示了如何把指針作為迭代器用于STL的find()算法來搜索普通的數組。

表 1. iterdemo.cpp

#include <iostream.h>  #include <algorithm>  using namespace std;  #define SIZE 100  int iarray[SIZE];  int main()  {  iarray[20] = 50;  int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);  if (ip == iarray + SIZE)  cout << "50 not found in array" << endl;  else cout << *ip << " found in array" << endl;  return 0;  }

在引用了I/O流庫和STL算法頭文件（注意沒有.h后綴），該程序告訴編譯器使用std名字空間。使用std名字空間的這行是可選的，因為可以刪除該行對于這么一個小程序來說不會導致名字沖突。

程序中定義了尺寸為SIZE的全局數組。由于是全局變量，所以運行時數組自動初始化為零。下面的語句將在索引20位置處地元素設置為50,并使用find()算法來搜索值50:

iarray[20] = 50;  int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);

find() 函數接受三個參數。頭兩個定義了搜索的范圍。由于C和C++數組等同于指針，表達式iarray指向數組的***個元素。而第二個參數iarray + SIZE等同于past-the-end 值，也就是數組中***一個元素的后面位置。第三個參數是待定位的值，也就是50。find()函數返回和前兩個參數相同類型的迭代器，這兒是一個指向整數的指針ip。

提示

必須記住STL使用模板。因此，STL函數自動根據它們使用的數據類型來構造。

為了判斷find()是否成功，例子中測試ip和 past-the-end 值是否相等：

if (ip == iarray + SIZE)

如果表達式為真，則表示在搜索的范圍內沒有指定的值。否則就是指向一個合法對象的指針，這時可以用下面的語句顯示：:

cout << *ip << " found in array" << endl;

測試函數返回值和NULL是否相等是不正確的。不要象下面這樣使用：

int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);  if (ip != NULL) ... // ??? incorrect

當使用STL函數時，只能測試ip是否和past-the-end 值是否相等。盡管在本例中ip是一個C++指針,其用法也必須符合STL迭代器的規則。

容器迭代器

盡管C++指針也是迭代器，但用的更多的是容器迭代器。容器迭代器用法和iterdemo.cpp一樣，但和將迭代器申明為指針變量不同的是，你可以使用容器類方法來獲取迭代器對象。兩個典型的容器類方法是begin()和end()。它們在大多數容器中表示整個容器范圍。其他一些容器還使用 rbegin()和rend()方法提供反向迭代器，以按反向順序指定對象范圍。

下面的程序創建了一個矢量容器（STL的和數組等價的對象），并使用迭代器在其中搜索。該程序和前一章中的程序相同。

Listing 2. vectdemo.cpp

#include <iostream.h>  #include <algorithm>  #include <vector>  using namespace std;  vector<int> intVector(100);  void main()  {  intVector[20] = 50;  vector<int>::iterator intIter =  find(intVector.begin(), intVector.end(), 50);  if (intIter != intVector.end())  cout << "Vector contains value " << *intIter << endl;  else cout << "Vector does not contain 50" << endl;  }

注意用下面的方法顯示搜索到的數據：

cout << "Vector contains value " << *intIter << endl;

常量迭代器

和指針一樣，你可以給一個迭代器賦值。例如，首先申明一個迭代器：

vector<int>::iterator first;

該語句創建了一個vector<int>類的迭代器。下面的語句將該迭代器設置到intVector的***個對象，并將它指向的對象值設置為123：

first = intVector.begin();  *first = 123;

這種賦值對于大多數容器類都是允許的，除了只讀變量。為了防止錯誤賦值，可以申明迭代器為：

const vector<int>::iterator result;  result = find(intVector.begin(), intVector.end(), value);  if (result != intVector.end())  *result = 123; // ???

警告

另一種防止數據被改變得方法是將容器申明為const類型。

『呀！在VC中測試出錯,正確的含義是result成為常量而不是它指向的對象不允許改變，如同int *const p;看來這作者自己也不懂』

使用迭代器編程

你已經見到了迭代器的一些例子，現在我們將關注每種特定的迭代器如何使用。由于使用迭代器需要關于STL容器類和算法的知識，在閱讀了后面的兩章后你可能需要重新復習一下本章內容。

輸入迭代器

輸入迭代器是最普通的類型。輸入迭代器至少能夠使用==和!=測試是否相等；使用*來訪問數據；使用++操作來遞推迭代器到下一個元素或到達past-the-end 值。

為了理解迭代器和STL函數是如何使用它們的，現在來看一下find()模板函數的定義：

template <class InputIterator, class T>  InputIterator find(  InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {  while (first != last && *first != value) ++first;  return first;  }

注意

在find()算法中，注意如果first和last指向不同的容器，該算法可能陷入死循環。

輸出迭代器

輸出迭代器缺省只寫，通常用于將數據從一個位置拷貝到另一個位置。由于輸出迭代器無法讀取對象，因此你不會在任何搜索和其他算法中使用它。要想讀取一個拷貝的值，必須使用另一個輸入迭代器（或它的繼承迭代器）。

Listing 3. outiter.cpp

#include <iostream.h>  #include <algorithm> // Need copy()  #include <vector> // Need vector  using namespace std;  double darray[10] =  {1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9};  vector<double> vdouble(10);  int main()  {  vector<double>::iterator utputIterator = vdouble.begin();  copy(darray, darray + 10, outputIterator);  while (outputIterator != vdouble.end()) {  cout << *outputIterator << endl;  outputIterator++;  }  return 0;  }

注意

當使用copy()算法的時候，你必須確保目標容器有足夠大的空間，或者容器本身是自動擴展的。

前推迭代器

前推迭代器能夠讀寫數據值，并能夠向前推進到下一個值。但是沒法遞減。replace()算法顯示了前推迭代器的使用方法。

template <class ForwardIterator, class T>  void replace (ForwardIterator first,  ForwardIterator last,  const T& old_value,  const T& new_value);

使用replace()將[first,last]范圍內的所有值為old_value的對象替換為new_value。:

replace(vdouble.begin(), vdouble.end(), 1.5, 3.14159);

雙向迭代器

雙向迭代器要求能夠增減。如reverse()算法要求兩個雙向迭代器作為參數:

template <class BidirectionalIterator>  void reverse (BidirectionalIterator first,  BidirectionalIterator last);

使用reverse()函數來對容器進行逆向排序:

reverse(vdouble.begin(), vdouble.end());

隨機訪問迭代器

隨機訪問迭代器能夠以任意順序訪問數據，并能用于讀寫數據（不是const的C++指針也是隨機訪問迭代器）。STL的排序和搜索函數使用隨機訪問迭代器。隨機訪問迭代器可以使用關系操作符作比較。

random_shuffle() 函數隨機打亂原先的順序。申明為：

template <class RandomAccessIterator>  void random_shuffle (RandomAccessIterator first,  RandomAccessIterator last);

使用方法：

random_shuffle(vdouble.begin(), vdouble.end());

迭代器技術

要學會使用迭代器和容器以及算法，需要學習下面的新技術。

流和迭代器

本書的很多例子程序使用I/O流語句來讀寫數據。例如：

int value;  cout << "Enter value: ";  cin >> value;  cout << "You entered " << value << endl;

對于迭代器，有另一種方法使用流和標準函數。理解的要點是將輸入/輸出流作為容器看待。因此，任何接受迭代器參數的算法都可以和流一起工作。

Listing 4. outstrm.cpp

#include <iostream.h>  #include <stdlib.h> // Need random(), srandom()  #include <time.h> // Need time()  #include <algorithm> // Need sort(), copy()  #include <vector> // Need vector   using namespace std;   void Display(vector<int>& v, const char* s);   int main()  {  // Seed the random number generator  srandom( time(NULL) );   // Construct vector and fill with random integer values  vector<int> collection(10);  for (int i = 0; i < 10; i++)  collection[i] = random() % 10000;;   // Display, sort, and redisplay  Display(collection, "Before sorting");  sort(collection.begin(), collection.end());  Display(collection, "After sorting");  return 0;  }   // Display label s and contents of integer vector v  void Display(vector<int>& v, const char* s)  {  cout << endl << s << endl;  copy(v.begin(), v.end(),  ostream_iterator<int>(cout, "\t"));  cout << endl;  }

函數Display()顯示了如何使用一個輸出流迭代器。下面的語句將容器中的值傳輸到cout輸出流對象中:

copy(v.begin(), v.end(),  ostream_iterator<int>(cout, "\t"));

第三個參數實例化了ostream_iterator<int>類型，并將它作為copy()函數的輸出目標迭代器對象。“\t”字符串是作為分隔符。運行結果：

$ g++ outstrm.cpp  $ ./a.out  Before sorting  677 722 686 238 964 397 251 118 11 312  After sorting  11 118 238 251 312 397 677 686 722 964

這是STL神奇的一面『確實神奇』。為定義輸出流迭代器，STL提供了模板類ostream_iterator。這個類的構造函數有兩個參數：一個ostream對象和一個string值。因此可以象下面一樣簡單地創建一個迭代器對象：

ostream_iterator<int>(cout, "\n")

該迭代起可以和任何接受一個輸出迭代器的函數一起使用。

插入迭代器

插入迭代器用于將值插入到容器中。它們也叫做適配器，因為它們將容器適配或轉化為一個迭代器，并用于copy()這樣的算法中。例如，一個程序定義了一個鏈表和一個矢量容器:

list<double> dList;  vector<double> dVector;

通過使用front_inserter迭代器對象，可以只用單個copy()語句就完成將矢量中的對象插入到鏈表前端的操作：

copy(dVector.begin(), dVector.end(), front_inserter(dList));

三種插入迭代器如下：

•  普通插入器 將對象插入到容器任何對象的前面。

•  Front inserters 將對象插入到數據集的前面&mdash;&mdash;例如，鏈表表頭。

•  Back inserters 將對象插入到集合的尾部&mdash;&mdash;例如，矢量的尾部，導致矢量容器擴展。

使用插入迭代器可能導致容器中的其他對象移動位置，因而使得現存的迭代器非法。例如，將一個對象插入到矢量容器將導致其他值移動位置以騰出空間。一般來說，插入到象鏈表這樣的結構中更為有效，因為它們不會導致其他對象移動。

Listing 5. insert.cpp

#include <iostream.h>  #include <algorithm>  #include <list>  using namespace std;  int iArray[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };  void Display(list<int>& v, const char* s);  int main()  {  list<int> iList;  // Copy iArray backwards into iList  copy(iArray, iArray + 5, front_inserter(iList));  Display(iList, "Before find and copy");  // Locate value 3 in iList  list<int>::iterator p =  find(iList.begin(), iList.end(), 3);  // Copy first two iArray values to iList ahead of p  copy(iArray, iArray + 2, inserter(iList, p));  Display(iList, "After find and copy");  return 0;  }  void Display(list<int>& a, const char* s)  {  cout << s << endl;  copy(a.begin(), a.end(),  ostream_iterator<int>(cout, " "));  cout << endl;  }

運行結果如下：

$ g++ insert.cpp  $ ./a.out  Before find and copy  5 4 3 2 1  After find and copy  5 4 1 2 3 2 1

可以將front_inserter替換為back_inserter試試。

如果用find()去查找在列表中不存在的值，例如99。由于這時將p設置為past-the-end 值。***的copy()函數將iArray的值附加到鏈表的后部。

混合迭代器函數

在涉及到容器和算法的操作中，還有兩個迭代器函數非常有用：

• advance() 按指定的數目增減迭代器。

• distance() 返回到達一個迭代器所需（遞增）操作的數目。

例如：

list<int> iList;  list<int>::iterator p =  find(iList.begin(), iList.end(), 2);  cout << "before: p == " << *p << endl;  advance(p, 2); // same as p = p + 2;  cout << "after : p == " << *p << endl;   int k = 0;  distance(p, iList.end(), k);  cout << "k == " << k << endl;

advance()函數接受兩個參數。第二個參數是向前推進的數目。對于前推迭代器，該值必須為正，而對于雙向迭代器和隨機訪問迭代器，該值可以為負。

使用 distance()函數來返回到達另一個迭代器所需要的步驟。

注意：distance()函數是迭代的，也就是說，它遞增第三個參數。因此，你必須初始化該參數。未初始化該參數幾乎注定要失敗。

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