STL之迭代器失效问题

1 常见的STL容器

标准STL序列容器vectorstringdequelist

标准STL关联容器setmultisetmapmultimap

非标准序列容器slistslist是一个单向链表

非标准关联容器hash_sethash_multisethash_maphash_multimap

几种标准非STL容器stackqueuepriority_queue


从迭代器的性质出发,上述容器可分为三类:

1) vector, string类

2) deque类

3) list类

slist, setmultiset, mapmultimap基于rb_tree实现,迭代器性质也类是list.

同理, hash_sethash_multisethash_maphash_multimap也是如此.因为它们的底层是hashtable,而它采用的是开链法.

3) 适配器类

stack, queue,priority_queue,这类有特殊的存取规则,不提供的迭代器.

正因如此, 所以C++ primer一书只说了vector, string, list(forward_list)和deque的迭代器失效问题.


2 添加元素队迭代器的影响

2.1 vector, string类

1)存储空间重新分配

指向容器的迭代器,指针,引用都将失效.(所有空间重新分配, 之前的空间被释放)

2)存储空间未重新分配

插入点之前的迭代器,指针,引用有效,但插入点之后的都将无效.(发生了插入点后元素位置的移动)


2.2 deque类

1) 首尾位置之外插入

指向容器的迭代器,指针,引用都将失效.这与vector不同(保证插入点之前有效).这与deque的实现机制有关.

deque的内存布局


deque插入源码



因为, deque的插入为根据插入前前后元素的数量,选择一个较小的进行移动,所以具体在一次插入操作中移动的是前面还是后面部分不能确定.

所以并没有保持像list的性质.

2) 首尾位置插入

迭代器会失效, 但指向存在元素的引用和指针不会失效.

这是C++ primer的原话.但直至没有想清楚为什么?刚开始我的理解是,首(尾)插入只会影响插入前的首(尾)位置的迭代器,其他位置的迭代器应该仍有效.

即使插入操作造成map的重新分配和拷贝或缓存节点的增加.但原deque除首(尾)位置,并没有改变.

后来发现还是我错啦.药弄明白还得从deque的迭代器的实现原理入手.以下是个人的理解.不对的地方还请读者指出.


首尾插入引起的deque迭代器失效,是由map重新分配,引起原来所有迭代器的node指针失效导致的,

可以将这种失效看作是一种广义的失效.因为这种迭代器负责的是一个缓存节点.即使迭代器失效,

但在迭代器内部仍然有效, 即局部有效.

如果map没有重新分配,除原首尾位置,其他迭代器应该仍是有效的.但是对于使用者而言,你并不知道何时没有发生map重新分配.

因此也作失效处理.


2.3 list类

指向容器的迭代器(包括首尾迭代器), 指针, 引用仍有效.


3 删除元素队迭代的影响

删除元素,一定会使指向删除节点的迭代器失效.

3.1 vector, string类

删除点之前的迭代器, 指针, 引用仍有效.但当我们删除元素时,尾后迭代器总是失效.

3.2 deque类

1)首尾之外节点删除, 所有原迭代器都失效.(原因和插入相同)

2)首尾节点删除, 其他迭代器,指针和引用仍会有效. 

3.3 list类

指向容器的其他迭代器,指针和引用仍会有效.





### C++ STL迭代器失效的原因 在 C++ 的标准模板库(STL)中,迭代器是一种通用工具,用于访问容器中的元素。然而,在某些情况下,当对容器进行修改操作时,可能会导致迭代器失效。这种现象的根本原因在于容器内部存储机制的变化。 #### 原因分析 1. **动态内存分配** 对于像 `std::vector` `std::string` 这样的连续存储容器,每当其容量不足而需要扩展时,会触发重新分配内存的操作。此时,旧的内存会被释放,新的内存被分配,所有指向原有内存地址的迭代器都会因此失效[^1]。 2. **删除或插入操作** 当从容器中删除或插入元素时,可能会影响其他元素的位置。例如: - 在 `std::vector` 或 `std::deque` 中删除某个元素后,后续元素向前移动,这使得原本指向这些元素的迭代器不再有效。 - 插入新元素也可能引发类似问题,尤其是对于连续存储的容器,因为它们可能需要调整大小以容纳新增加的内容[^2]。 3. **关联容器的行为差异** 关联容器如 `std::set`, `std::map`, `std::unordered_set`, `std::unordered_map` 使用的是基于节点的数据结构而非连续数组。在这种设计下,只有特定类型的迭代器会在特殊条件下失效。比如,在 `std::map` 上调用成员函数 `erase(iterator)` 不会使任何现有迭代器失效;但如果通过范围形式清除整个子集,则仅该范围内涉及的那些迭代器受到影响[^3]。 --- ### 解决方案 针对不同情况下的迭代器失效问题,可以采取相应的措施: #### 方法一:更新迭代器返回值 许多容器提供了一种安全的方式来处理这种情况——即让修改操作返回一个新的有效迭代器。例如,在执行删除操作时,可以通过如下方式进行修正: ```cpp for(auto it = nums.begin(); it != nums.end(); ){ if(*it < threshold){ it = nums.erase(it); } else{ ++it; } } ``` 这里每次成功删除一个满足条件的元素后,立即获取并使用由 `nums.erase()` 返回的新迭代器位置[^1]^。 #### 方法二:采用局部作用域内的临时变量保存状态 另一种常见做法是在循环体内创建额外控制逻辑来跟踪当前进度以及潜在变化的影响。考虑下面的例子展示如何向量前部添加项目而不破坏外部指针链路: ```cpp auto it = vec.begin(); for(; it != vec.end(); ++it){ if(*it % 2 ==0 ){ it=vec.insert(it,*it-1); ++it;//跳过刚加入的那个项避免重复计算 } } ``` #### 方法三:利用更高层次抽象算法代替手动管理 现代C++提供了丰富的算法支持,能够减少直接操控原始迭代器的机会从而降低风险。例如替换显式的遍历代码块为更简洁的形式: ```cpp #include<algorithm> //... remove_if(nums.begin(), nums.end(), [](const int& value){return value<threshold;} ); nums.shrink_to_fit();//清理多余空间可选步骤 ``` 这种方法不仅提高了程序可读性维护便利度,还自动规避了一些常见的陷阱[^4]^. --- ### 示例代码综合应用 以下是结合上述理论的一个完整实例演示正确处理各种场景的方法: ```cpp #include <iostream> #include <vector> using namespace std; int main(){ vector<int> data={5,2,-9,8}; // 删除负数的同时保持迭代器有效性 for(auto iter=data.begin();iter!=data.end();){ if(*iter<0){ iter=data.erase(iter); }else{ ++iter; } } // 输出剩余正整数列表 cout<<"Positive numbers:"<<endl; for(const auto &num:data){ cout<<num<<"\t"; } cout<<endl; return EXIT_SUCCESS; } ``` --- ###
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