彻底搞懂STL容器迭代器：iterator与const_iterator实战指南
项目地址: https://gitcode.com/gh_mirrors/st/STL 你是否曾在使用C++ STL（Standard Template Library，标准模板库）容器时，被迭代器（Iterator）的各种用法搞得晕头转向？为什么同一个容器会有iterator和const_iterator两种迭代器？它们之间有什么区别？什么时候该用哪一种？读完本文，你将彻底搞懂这些问题，并能在实际开发中正确、高效地使用迭代器。
迭代器是什么？为什么需要它？
迭代器是STL中连接容器和算法的桥梁，它提供了一种统一的方式来访问容器中的元素，而无需暴露容器的内部实现细节。想象一下，如果没有迭代器，要遍历一个vector和一个list，你可能需要使用不同的方式（比如vector用下标，list用指针），但有了迭代器，你可以使用相同的代码来遍历各种容器。
STL中的迭代器主要分为以下几类：
- 输入迭代器（Input Iterator）：只能读取元素，且只能单向移动。
- 输出迭代器（Output Iterator）：只能写入元素，且只能单向移动。
- 前向迭代器（Forward Iterator）：可以读取和写入元素，只能单向移动，但可以重复遍历。
- 双向迭代器（Bidirectional Iterator）：可以读取和写入元素，可以双向移动。
- 随机访问迭代器（Random Access Iterator）：可以读取和写入元素，可以双向移动，还支持随机访问（如
+n、-n操作）。
在MSVC的STL实现中，这些迭代器的定义和相关操作主要在 stl/inc/iterator 和 stl/inc/xutility 头文件中。
iterator与const_iterator的核心区别
iterator和const_iterator是我们在使用STL容器时最常用的两种迭代器，它们的主要区别在于对元素的修改权限：
iterator：可以读取和修改所指向的元素。const_iterator：只能读取所指向的元素，不能修改。
从实现角度看，const_iterator通常是iterator的一个变体，只是它返回的元素引用是const的。例如，在 stl/inc/iterator 中定义的istream_iterator就是一种输入迭代器，它只能读取元素：
template <class _Ty, class _Elem = char, class _Traits = char_traits<_Elem>, class _Diff = ptrdiff_t>
class istream_iterator {
public:
using iterator_category = input_iterator_tag;
using value_type = _Ty;
using difference_type = _Diff;
using pointer = const _Ty*; // 注意这里是const指针
using reference = const _Ty&; // 注意这里是const引用
// ...
};
如何获取迭代器？
几乎所有的STL容器都提供了获取迭代器的成员函数，常见的有：
begin()：返回指向容器第一个元素的迭代器。end()：返回指向容器最后一个元素之后位置的迭代器。rbegin()：返回指向容器最后一个元素的反向迭代器。rend()：返回指向容器第一个元素之前位置的反向迭代器。
对于const_iterator，容器还提供了对应的cbegin()和cend()成员函数：
vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
vector<int>::iterator it = v.begin(); // iterator
vector<int>::const_iterator cit = v.cbegin(); // const_iterator
在C++11及以后的标准中，还可以使用auto关键字来自动推导迭代器类型，让代码更简洁：
auto it = v.begin(); // 自动推导为vector<int>::iterator
auto cit = v.cbegin(); // 自动推导为vector<int>::const_iterator
实战场景：何时使用iterator，何时使用const_iterator？
场景一：修改容器元素时使用iterator
当你需要遍历容器并修改其中的元素时，应该使用iterator。例如：
vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
for (auto it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
*it *= 2; // 修改元素值
}
// 此时v中的元素变为{2, 4, 6, 8, 10}
场景二：只读访问容器元素时使用const_iterator
当你只需要读取容器元素而不需要修改时，应该优先使用const_iterator。这不仅能提高代码的可读性（明确表示这是只读操作），还能避免意外修改元素。例如：
vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
for (auto cit = v.cbegin(); cit != v.cend(); ++cit) {
cout << *cit << " "; // 只读访问
}
// 输出：1 2 3 4 5
场景三：const容器只能使用const_iterator
如果你有一个const的容器对象，那么你只能使用const_iterator来访问它的元素，因为const容器的begin()和end()成员函数返回的就是const_iterator：
const vector<int> cv = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = cv.begin(); // it的类型是vector<int>::const_iterator
*it = 10; // 编译错误！不能修改const_iterator指向的元素
迭代器的转换与兼容性
在某些情况下，你可能需要将iterator转换为const_iterator。幸运的是，iterator可以隐式转换为const_iterator，因为const_iterator是iterator的超集（它拥有iterator的所有功能，只是少了修改元素的能力）。例如：
vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
vector<int>::iterator it = v.begin();
vector<int>::const_iterator cit = it; // 隐式转换，合法
但是，反过来，const_iterator不能转换为iterator，因为这会违反const的语义（允许通过转换后的iterator修改元素）。
迭代器失效问题
使用迭代器时，一定要注意迭代器失效的问题。当容器发生某些操作（如插入、删除元素）时，可能会导致已有的迭代器失效，继续使用失效的迭代器会导致未定义行为。
例如，对于vector容器，如果在中间插入元素，可能会导致所有指向插入位置之后元素的迭代器失效：
vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
auto it = v.begin() + 2; // 指向元素3
v.insert(it, 6); // 在元素3之前插入6
// 此时it可能已经失效，不能再使用
为了避免迭代器失效，在进行插入或删除操作后，应该重新获取迭代器。
总结与最佳实践
- 优先使用
const_iterator进行只读操作：这能提高代码的可读性和安全性，明确表示操作的意图。 - 使用
auto简化迭代器声明：避免冗长的迭代器类型声明，让代码更简洁。 - 注意迭代器的生命周期：在容器进行插入、删除等操作后，及时更新迭代器，避免使用失效的迭代器。
- 熟悉不同容器的迭代器类型：不同容器的迭代器类型不同（如
vector提供随机访问迭代器，list提供双向迭代器），了解它们的特性有助于正确使用迭代器。
通过本文的介绍，相信你已经对STL容器的iterator和const_iterator有了深入的理解。如果你想进一步学习迭代器的实现细节，可以阅读MSVC STL的源代码，特别是 stl/inc/iterator 和 stl/inc/xutility 这两个头文件。
希望本文对你有所帮助！如果你有任何问题或建议，欢迎在评论区留言讨论。别忘了点赞、收藏、关注三连，获取更多C++ STL的实用知识！
创作声明：本文部分内容由AI辅助生成（AIGC），仅供参考
