STL源码之迭代器

STL源码之迭代器

 

【本文由天地任我游总结，转载请包含链接：http://houjixin.blog.163.com/】

1、迭代器是什么？为什么要引入迭代器？

 

STL是将容器与算法分离开的，我们用到的类模板和函数模板即是用于实现这两个东西，其中类模板用于实现容器，函数模板用于实现算法，在使用的时候需要一个将两者联系起来的东西，这个东西就是迭代器。

例如段代码1所示：算法find需要访问容器ivec中的每一个元素之后才能确定该容器中是否有目标元素10，在这里find需要使用了类型为vector<int>::iterator的两个变量iter_begin（指向容器的开始）和iter_end（指向容器的末尾）来访问容器ivec；在实际的使用中容器中放置的元素可以使任何类型（即vector<int>的int可以替换成任何一种类型）。

                                                代码段1

通过上面这一大段的描述，可以看到，所谓的迭代器就是一个指针，或者就是一个实现的指针功能的东西（例如智能指针）。从功能上来讲，也可以认为迭代器实现了一种让用户访问容器元素的方法。

 

2、迭代器核心之Traits

 

通过前面的介绍，可以看到迭代器就是一种实现了类似于指针功能的东西，仅仅如此吗？答案肯定为否定！既然如此，那迭代器还有哪些神奇的功能呢？

 

（1）内嵌类型

 

来看一个新的需求：我们需要通过迭代器来得到该迭代器所指元素的类型，并且将该类型用做函数的返回值，如果觉得这句话很绕口来一起分析一个小程序片段（下面这段仿写自侯捷的《STL源码分析》）。这个小程序中定义了一个函数TestFunc，其功能是返回入参所指向的元素的值。

                                                  代码段2

分析一下上面这段代码:

首先自定义了一个迭代器（虽然它还不是真正意义上的迭代器，我们姑且这么喊它），它类似一个智能指针，构造该迭代器对象时需要传递给它一个指针，使用时就可以像指针一样使用它了，区别之处在于多了一个红框1框起来的代码“typedef T value_type；”。

自定义了一个函数TestFunc（红框2）该函数的返回值比较特殊：typename I::value_type，其意思为告诉编译器I::value_type这个东西是个类型，就像int、double一样，可以定义的、实实在在的类型；在函数编译时将会根据传入的参数类型来获取实际的类型。

在本例main函数中传入了一个TestIter<float>类型的参数，在编译时就会得到I::value_type实际上就是类型TestIter中定义的T，也即TestIter<float>中的float.

是不是在函数TestFunc中只根据传入的迭代器类型TestIter<float>就得到了迭代器所指元素的类型float，并且将该类型用做了函数的返回值？应该算是实现了我们前面提到的需求。

 

（2）traits机制

 

回头看一下代码段2是否实现了我们在（1）中的需求：“通过迭代器来得到该迭代器所指元素（对象）的类型，并且将该类型用做函数的返回值”？如果你想不到哪里没有实现，请看下面的内容：

我们在设计函数TestFunc时希望其入参不仅可以是类类型（例如基本类型int/float等，当然也包括自定义的class类型），也可以是原生指针（例如int*,float*），换一种说法：我们想给函数TestFunc传入一个int型的指针，然后让该函数返回该指针所指向的int型元素；这时再回头看代码段2会得到什么？还能通过typename I::value_type获得入参int*的所指的int类型的元素吗？肯定得不到了，因为我们只为自己设计的迭代器TestIter中提供了类型定义“typedef T value_type；”，而int*又不是我们定义的，它里面肯定没有这个类型定义呀！！！！怎么办？

看看STL是如何来解决该问题？这里会用到模板的偏特化（即为模板提供一个特例化的版本），如果你不懂这个概念请百度或谷歌一下。

既然定义函数TestFunc时，通过（1）中介绍的方法无法解决指针作为参数的问题，STL中便引入了一个中介traits，通过该中介的来屏蔽实际参数的变化，进而保证函数TestFunc定义不变。

其实这种思路并不算陌生，在程序设计中我们经常用到这样的方法，如图1的（a）图，当应用比较多时，服务层为了处理各种不同的应用需要增加很多东西，为了减轻服务层的负担从而让其专职于服务提供，这时引入了中间层，如图1的（b）图，应用层不与服务层直接打交道，这时应用再怎么变化，只要中间层与之对应的变化即可，服务层不需要做任何变化。

                                    （a）服务层直接提供服务      （b）引入中间层

图1

再回头看一下STL怎么通过引入中介traits来不同的类型，如代码段3所示，函数的返回值被修改为“typename test_traits<I>::value_type”。

例如：当给函数TestFunc传入一个基本类float时，返回值“test_traits<I>::value_type”就会调用test_traits的类型版本（代码段4中的红1所标识），从而得到最终的返回类型float；当给函数TestFunc传入一个指针类型int*时，返回值“test_traits<I>::value_type”就会调用traits针对指针的偏特化版本（如代码段4中的红2所标识），从而得到类型int，如代码段3所示。

 

                                                 代码段3

 

(3) traits所定义的类型

 

包括上述基本类型和指针类型，STL中迭代器和traits都定义了如下5个常用类型，这5种类型及其含义如下：

iterator_category：迭代器的类型，共有只读、只写等5种类型，后续会有涉及。

value_type：迭代器所指元素的类型。

distance_type：两个迭代器之间的距离。

pointer：左值，即迭代器所指元素可以被改变，允许赋值操作。

reference：表示能够传回一个pointer，指向迭代器所指之物。

在STL中traits又针对指针和const指针定义了偏特化版本，因此，在STL的算法中无论传入的是一个类型、还是一个指针、还是一个const指针，通过traits之后都能过得到真正要使用的类型（例如如果想要通过一个int指针int*获取到所指对象的类型int，这时无论传入的参数是int还是int*还是const int *，这时候都能过通过traits得到真正的int）。

注意：在STL中，任何一种容器（例如vector、map等）都必须包含上述5个类型，这样才能被STL的traits获取到相应的类型。因此，如果你想自定义一种能被STL所兼容的容器，那么该容器就必须包含上述5中类型，以便STL能够通过traits获取到相应的类型。

 

3、traits在迭代器中的应用

 

（1）迭代器的种类

 

在第2节的第（3）部分中提到任何一种类型的容器都必须包含 iterator_category类型，该类型表示迭代器的种类，在STL中迭代器共有以下5中类型（注意与上面提到的5中traits所定义的类型做区分呦）：

InputIterator:只读迭代器，且只支持operator++；

OutputIterator:只写迭代器，且只支持operator++；

ForwardIterator：读写都允许的迭代器，且只支持operator++；

BidirectionalIterator：可双向移动的迭代器，同时支持operator++和operator--；

RandomAccessIterator：可随机访问迭代器，同时支持operator++、operator—和p+n、p-n、p[n]、p1-p2、p1<p2。

这5种迭代器之间的关系如图2所示，为什么要分这么多类型？当然是为了效率，STL中处处都体现了对效率的要求，后续你会看到在内存空间分配上也是如此，在使用时根据需要选择最符合的迭代器类型。

 图2 各类型迭代器之间的关系

 

（2）traits的应用之一iterator_category

 

下面以iterator_category在函数advanced()中的应用为例说明traits在iterator中的应用，该函数的功能是将迭代器前进n步，由于迭代器的类型有5中，需要为每个类型定义一个版本（这里只为InputIterator、OutputIterator、ForwardIterator定义了一个InputIterator版本，ForwardIterator为InputIterator的派生类，因此它可以使用其父类InputIterator的版本）：

 

  

代码段4

考虑一下上述代码段4方式的缺陷，上述advanced函数只有到执行的时候才能知道到底用哪个版本的__advanced_xx函数，效率比较低，效率降低是STL所不可忍受的；另外上述三个函数非常类似，似乎可以使用重载，问题是他们又都是有两个类型未定的参数，重载不起来！！！！

下面的方法通过一个类型标签来使用重载，这种方法值得借鉴，具体做法参考代码段5，

 

 代码段5

下面对上述代码段5进行分析：

首先，在代码段5上面的红框中定义了5中迭代器标识类型，这些类型中一个元素和操作都没有，它的作用就是在重载函数__advanced（）中标识迭代器的类型，从而激发重载。

第二，定义三种重载的函数分别用于“只读、双向、随即”这三种迭代器，重载函数中最后一个参数为迭代器标识类型，不同的迭代器，其标识类型不同，因而也就符合了重载的要求。

第三，在函数advanced中有一行代码为“__advanced(iter,n,...);”这里的省略号中需要这样的功能：根据当前传入的迭代器InputIter生成一个迭代器标识类型的临时对象，然后通过该临时对象选择相应的重载函数。非常精巧的设计！！！！！！借鉴意义非常大~~~，可是如何来完成这样的功能呢？答案是：交给triats，别忘了前面所述的traits就是来屏蔽变化的。

为完成该功能traits进行了如下的定义，如代码段6所示，

 代码段6

在STL中，迭代器的类型永远落在该迭代器所属类型中（上面提到的那5种！），最强化的那个，例如int*即是random_access_iterator_tag类型又是bidirectional_iterator_tag类型，同时也是forward_iterator_tag类型，也是input_iterator_tag那么它的类型应该是我们定义的random_access_iterator_tag。

有了traits的帮助，advanced函数中的省略号就可以这么来做了：

 代码段7

这里“test_traits<InputIter>::iterator_category()”就像int()会产生一个临时的int对象一样，根据参数InputIter的不同产生一个不同的临时迭代器标识对象。

 

3、总结

 

通过对STL源码的迭代器部分的学习，重点学到了两种解决思路：1）traits方式，通过引入了一个中间的traits就屏蔽掉了各种变化，使得算法不用管容器中存放的是什么东西，都可以用统一的方式来处理；2）使用类型标识来促成重载，这种方法在以前的编程中很少用到，很有借鉴意义。