C++迭代器简介与定制

迭代器基础

算法中应用

创建迭代器

 

迭代器是C++中非常重要的概念，是STL工具集中的重要一环。迭代器有很多类型，各自有其局限性。

• 输入迭代器：只能取指向的值，当迭代器自加后，之前指向的值就不可访问（不用此类迭代器在一个范围内遍历多次），典型的如std::istream_iterator。

• 前向迭代器：类似输入迭代器只能前进，但在指定范围内可迭代多次，典型的如std::forward_list（只能前向遍历，但可以反复迭代）。

• 输出迭代器：单纯用于写的迭代器，只能前进，且将内容写入对应容器（文件）中；读取的值是未定义的。

 

 

迭代器基础

每种容器都定义了自己的迭代器，可通过iterator获取（如vector::iterator）。通过begin与end函数可获取一对迭代器，表示范围（end不指向容器的任何元素，而是指向最后元素的下一个位置）以遍历容器元素。

vector<int> vec;
// ...
for(auto it=vec.begin(); it!=vec.end(); ++it){
  cout<<*it<<endl;
}

// C++11
for(auto it:vec){
  cout<<*it<<endl;
}

基本操作

迭代器可以像指针一样进行++与--操作，以及通过*解除引用，和比较操作等。此外还有三个函数模板：

• advance(p,n)：迭代器向前或向后（负数）移动n个元素；

• distance(p,q)：计算两个迭代器间的距离；

• iter_swap(p,q)：交换两个迭代器；

高级使用

迭代器与STL中的算法结合，可以产生强大的威力；通过插入迭代器，可方便插入数据至容器：

• inserter(con,it)：从容器con的it处开始插入

• back_inserter(con)：插入到容器尾部（需要容器支持push_back）；

• front_inserter(con)：插入到容器头部（需要容器支持push_front）；

通过copy输出容器内容：

template<typename T>
void toPrint(const T &con){
  copy(begin(con),end(con), ostream_iterator<T::value_type>{count, ", "});
  cout<<endl;
}

使用inserter创建容器

vector<int> vec{1,2,3,4,5};
deque<int> de;
copy_n(begin(vec), 3, inserter(de,begin(de))); // 从指定位置往后，依次插入内容
move(begin(vec),end(vec), front_inserter(de)); // 总是插入最前面，若是可移动类型（如string等）则vec中的内容将变为空
toPrint(de); // 5,4,3,2,1,1,2,3

算法中应用

在算法中会大量使用迭代器进行操作。

二分查找

对于已排序的容器，可通过查找算法获取对应位置迭代器：

• binary_search(begin,end,foFind)：查找到返回true，否则false；

• equal_range(begin,end,foFind)：返回一对迭代器（pair<lowerBound,UpperBound>），符合要求的元素为[lowerBound,UpperBound)，若未查找到则lowerBound==UpperBound（即都指向符合要求元素插入的位置）；

• lower_bound(begin,end,foFind)：返回第一个不小于（less）查找值的迭代器，若未找到返回end；

• upper_bound(begin,end,foFind)：返回大于查找值的第一个元素位置（即新元素插入位置）；

排序

STL中有多个排序算法，满足不同用途：

• sort：排序

• stable_sort：稳定排序

• partial_sort(first, middle, last)：保证[first,middle)范围内容的元素是排序好的，且不大于后面的任何元素；

• partition(first,last,pre)：返回第一个不满足pre的迭代器it，保证[first,it)范围内元素满足pre，[it,last)范围内元素不满足pre；

• nth_element(first, itN, last)：把第N个元素放在位置N处，且前面的元素不大于它，后面的元素不小于它（但不排序）；

vector<int> vec{1,2,3,4,5,6,7,8,9};
default_random_engine gbump;
shuffle(vec.begin(),vec.end(),g);

auto mid{next(vec.begin(), vec.size()/3)};
// partial_sort(vec.begin(), mid, vec.end()); // 保证前1/3元素有序
auto ret = parition(vec.begin(),vec.end(), [](auto i){return i<5}); // 所有小于5的排在前面，其他排在后面
cout *ret<<endl;
toPrint(vec);

创建迭代器

要实现一个前向迭代器，只需支持前缀加++，解引用*和比较操作!=即可（可用于enumeration-for语句中）。

class Num_iterator{
  int m_cur=0;

public:
  explicit Num_iterator{int nPos=0):m_cur(nPos){}

  int operator*() {return m_cur;}

  Num_iterator& operator++(){
    ++m_cur;
    return *this;
  }
  Num_iterator& operator--(){
    --m_cur;
    return *this;
  }

  bool operator!=(const Num_iterator& other){
    return m_cur != other.m_cur;
  }
  bool operator==(const Num_iterator& other){
    return !operator!=(other);
  }
};

为了使迭代器兼容STL算法，需要对标准模板进行特化：

  template<>
  struct iterator_traits<Num_iterator>{
    using iterator_category = std::forward_iterator_tag;
    using value_type = int;
    using difference_type = int;
    using pointer = const int*;
    using reference = int;
  }
}

有了迭代器，我们就可以定义自己的容器，如获取数字范围：

class Num_range{
  int m_nStart=0;
  int m_nEnd=0;

public:
  Num_range{int from, int to):m_nStart(from), m_nEnd(to) {}

  Num_iterator begin() const { return Num_iterator(m_nStart);}
  Num_iterator end() const {return Num_iterator(m_nEnd);}

  Num_iterator begin() { return Num_iterator(m_nStart);}
  Num_iterator end() {return Num_iterator(m_nEnd);}
};

使用自定义容器：

Num_range rg(1, 10);
vector<int> vec;
transform(rg.begin(), rg.end(), back_inserter(vec), [](auto i) {return i*i;});