STL--迭代器--原理与实践

来源：互联网发布：课堂随机点名软件编辑：程序博客网时间：2024/06/16 13:42

迭代器（iterator）是STL里面很基础也很重要的一个东西，迭代器的traits技术设计的很棒。
迭代器是一种行为类似指针的对象，因为指针最常用的是->和*两个操作符，因此迭代器最重要的编程工作也是对这两个操作符的重载的实现。

初探traits技术

假设现在定义了这样一个迭代器MyIter，当我们拿到一个MyIter对象时，如何判断他的类型呢？

template<class T>struct MyIter{    T* ptr;    MyIter(T* p=0) : ptr(p) {}    T& operator*() const { return *ptr; }};MyIter<int> iter(new int(1));// What's type of *iter ???

在STL的实现中，给MyIter添加了一个value_type的定义，然后通过MyIter::value_type取得对应的类型，这就是所谓的traits技术了。

#include <iostream>using namespace std;template<class T>struct MyIter{    typedef T value_type;  // value_type定义    T* ptr;    MyIter(T* p=0) : ptr(p) {}    T& operator*() const { return *ptr; }};template<class I>typename I::value_type     // typename用于指明I::value_type是个类型, 并且作为返回值类型func(I ite){    return *ite;}int main(int argc, char **argv){    MyIter<int> ite(new int(8)); //定义了一个对象，模板参数是int, 对象中的ptr指针指向了数值8    cout << func(ite) << endl; //     return 0;}// 输出8

函数模板中的参数类型I是 MyIter , 函数返回值类型是MyIter::value_type, return *ite即使执行重载后的*返回值.

使用萃取技术，那么函数可以针对任意返回类型都是允许的，因为传递给函数的参数是迭代器（指针），萃取技术就是从迭代器类型（迭代器类）中获取返回值的类型。

迭代器类的构造是通过指定的模版参数值类型int构造的.

上面的代码中通过模板参数的value_type来推导出具体的类型，注意typename用于指明I::value_type是个类型，如果没有typename的话，编译器将把value_type当成I的一个member或者member function。

问题：既然说迭代器是一种智能指针，那么func对于普通的原始指针也应该是可用的，但是普通的原始指针不是对象，并不不具备value_type这内嵌类型的定义，解决之道就是使用偏特化技术（partial specialization）。

模板特化

C++模板的分两种：偏特化和全特化（所谓偏特化是指部分特化）。
特化（或者说全特化，specialized）不过是一个花哨的术语，意思是形参不再为形参，它们已经有了确定的值；而偏特化（partial specialization）的意思是提供另一份template的定义，其本身仍然是一个template，或者说针对template参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

#include <iostream>using namespace std;// traits模板的定义template<class I>struct my_traits{    typedef typename I::value_type value_type;};// 针对T*的偏特化版本template<class T>struct my_traits<T*>{    typedef T value_type;};// 针对const T*的偏特化版本template<class T>struct my_traits<const T*>{    typedef T value_type;};// MyIter定义template<class T>struct MyIter{    typedef T value_type;    T* ptr;    MyIter(T* p=0) : ptr(p) {}    T& operator*() const { return *ptr; }};// func函数模板，注意返回类型为typename my_traits<I>::value_typetemplate<class I>typename my_traits<I>::value_typefunc(I ite){    return *ite;}int main(int argc, char **argv){    MyIter<int> ite(new int(8));    cout << func(ite) << endl;    int *p = new int(1);    const int *pc = new int(2);    cout << func(p) << endl;    cout << func(pc) << endl;    return 0;}// 输出8 1 2

经过添加模板偏特化版本的定义之后，func对于原始指针也可以支持了。本文重点描述迭代器相关特性，所以关于特化的更多介绍，请自行搜索相关资料。

迭代器基本框架

按照约定，迭代器需要定义5个内嵌类型：iterator_category、value_type、difference_type、pointer、reference。

template <class Category,          class T,          class Distance = ptrdiff_t,          class Pointer = T*,          class Reference = T&>struct iterator {    typedef Category    iterator_category;    typedef T           value_type;    typedef Distance    difference_type;    typedef Pointer     pointer;    typedef Reference   reference;};

也就是萃取出来模版参数的类型………………………

这些类型所表示的意义如下：

value type 用来表示迭代器所指对象的型别；
difference type 用来表示两个迭代器之间的距离；
reference 为引用类型；
pointer 为指针类型；
iterator_category 表明迭代器的类型；

根据迭代器移动特性与施行动作，迭代器被分为五类：

Input Iterator：这种迭代器所指对象，不允许外界改变，只读（read only）；
Output Iterator：唯写（write only）；
Forward Iterator：允许「写入型」算法（例如 replace()）在此种迭代器所形成的区间上做读写动作；
Bidirectional Iterator：可双向移动。某些算法需要逆向走访某个迭代器区间（例如逆向拷贝某范围内的元素），就可以使用 Bidirectional Iterators；
Random Access Iterator：前四种迭代器都只供应一部份指标算术能力（前3
种支持 operator++ ，第4种再加上 operator–-），第5种则涵盖所有指标算术能力，包括 p+n, p-n, p[n], p1-p2, p1.

几种迭代器之间的关系图：

iterator源码

#ifndef __SGI_STL_INTERNAL_ITERATOR_BASE_H#define __SGI_STL_INTERNAL_ITERATOR_BASE_H#include <concept_checks.h>__STL_BEGIN_NAMESPACE// 五种迭代器tag的定义struct input_iterator_tag {};struct output_iterator_tag {};struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag {};struct bidirectional_iterator_tag : public forward_iterator_tag {};struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag {};// input_iterator 定义template <class _Tp, class _Distance> struct input_iterator {  // 类别为 input_iterator_tag  typedef input_iterator_tag iterator_category;  typedef _Tp                value_type;  typedef _Distance          difference_type;  typedef _Tp*               pointer;  typedef _Tp&               reference;};// output_iterator 定义struct output_iterator {  // 类别为 output_iterator_tag  typedef output_iterator_tag iterator_category;  typedef void                value_type;  typedef void                difference_type;  typedef void                pointer;  typedef void                reference;};template <class _Tp, class _Distance> struct forward_iterator {  typedef forward_iterator_tag iterator_category;  // ...};template <class _Tp, class _Distance> struct bidirectional_iterator {  typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;  // ...};template <class _Tp, class _Distance> struct random_access_iterator {  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;  // ...};#ifdef __STL_USE_NAMESPACES// iterator 定义template <class _Category, class _Tp, class _Distance = ptrdiff_t,          class _Pointer = _Tp*, class _Reference = _Tp&>struct iterator {  typedef _Category  iterator_category;  typedef _Tp        value_type;  typedef _Distance  difference_type;  typedef _Pointer   pointer;  typedef _Reference reference;};#endif /* __STL_USE_NAMESPACES */// 偏特化#ifdef __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION// iterator_traits 模板template <class _Iterator>struct iterator_traits {  typedef typename _Iterator::iterator_category iterator_category;  typedef typename _Iterator::value_type        value_type;  typedef typename _Iterator::difference_type   difference_type;  typedef typename _Iterator::pointer           pointer;  typedef typename _Iterator::reference         reference;};// iterator_traits 针对指针的特化版本template <class _Tp>struct iterator_traits<_Tp*> {  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;  typedef _Tp                         value_type;  typedef ptrdiff_t                   difference_type;  typedef _Tp*                        pointer;  typedef _Tp&                        reference;};// iterator_traits 针对const指针的特化版本template <class _Tp>struct iterator_traits<const _Tp*> {  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;  typedef _Tp                         value_type;  typedef ptrdiff_t                   difference_type;  typedef const _Tp*                  pointer;  typedef const _Tp&                  reference;};// 获取迭代器的类型 (返回一个该类型的对象)template <class _Iter>inline typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category__iterator_category(const _Iter&){  typedef typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category _Category;  return _Category();}// 获取迭代器的 __distance_typetemplate <class _Iter>inline typename iterator_traits<_Iter>::difference_type*__distance_type(const _Iter&){  return static_cast<typename iterator_traits<_Iter>::difference_type*>(0);}// 获取迭代器的 __value_typetemplate <class _Iter>inline typename iterator_traits<_Iter>::value_type*__value_type(const _Iter&){  return static_cast<typename iterator_traits<_Iter>::value_type*>(0);}// __iterator_category 的const参数版本template <class _Iter>inline typename iterator_traits<_Iter>::iterator_categoryiterator_category(const _Iter& __i) { return __iterator_category(__i); }// __distance_type 的const参数版本template <class _Iter>inline typename iterator_traits<_Iter>::difference_type*distance_type(const _Iter& __i) { return __distance_type(__i); }// __value_type 的const参数版本template <class _Iter>inline typename iterator_traits<_Iter>::value_type*value_type(const _Iter& __i) { return __value_type(__i); }#define __ITERATOR_CATEGORY(__i) __iterator_category(__i)#define __DISTANCE_TYPE(__i)     __distance_type(__i)#define __VALUE_TYPE(__i)        __value_type(__i)#else /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */// 如果不支持偏特化，那么就需要定义iterator_category的函数重载的形式了// 这里略去了此部分源代码的解释，因为估计也只有{非主流}编译器才不支持偏特化吧#endif /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */// 体验traits技术的威力，针对不同的迭代器类型定义不同的distance实现版本// _InputIterator 版本template <class _InputIterator, class _Distance>inline void __distance(_InputIterator __first, _InputIterator __last,                       _Distance& __n, input_iterator_tag){  while (__first != __last) { ++__first; ++__n; }}// _RandomAccessIterator版本template <class _RandomAccessIterator, class _Distance>inline void __distance(_RandomAccessIterator __first,                        _RandomAccessIterator __last,                        _Distance& __n, random_access_iterator_tag){  __STL_REQUIRES(_RandomAccessIterator, _RandomAccessIterator);  __n += __last - __first;}// distance 接口// 注意 _RandomAccessIterator 也是 _InputIteratortemplate <class _InputIterator, class _Distance>inline void distance(_InputIterator __first,                      _InputIterator __last, _Distance& __n){  __STL_REQUIRES(_InputIterator, _InputIterator);  // 通过 iterator_category 取得迭代器类型  __distance(__first, __last, __n, iterator_category(__first));}#ifdef __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION// 对_Distance进行了特化template <class _InputIterator>inline typename iterator_traits<_InputIterator>::difference_type__distance(_InputIterator __first, _InputIterator __last, input_iterator_tag){  typename iterator_traits<_InputIterator>::difference_type __n = 0;  while (__first != __last) {    ++__first; ++__n;  }  return __n;}template <class _RandomAccessIterator>inline typename iterator_traits<_RandomAccessIterator>::difference_type__distance(_RandomAccessIterator __first, _RandomAccessIterator __last,           random_access_iterator_tag) {  __STL_REQUIRES(_RandomAccessIterator, _RandomAccessIterator);  return __last - __first;}template <class _InputIterator>inline typename iterator_traits<_InputIterator>::difference_typedistance(_InputIterator __first, _InputIterator __last) {  typedef typename iterator_traits<_InputIterator>::iterator_category     _Category;  __STL_REQUIRES(_InputIterator, _InputIterator);  return __distance(__first, __last, _Category());}#endif /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */// 体验traits技术的威力，针对不同的迭代器类型定义不同的advance实现版本// _InputIterator 版本template <class _InputIter, class _Distance>inline void __advance(_InputIter& __i, _Distance __n, input_iterator_tag) {  while (__n--) ++__i;}#if defined(__sgi) && !defined(__GNUC__) && (_MIPS_SIM != _MIPS_SIM_ABI32)#pragma set woff 1183#endif// _BidirectionalIterator 之前前进与后退template <class _BidirectionalIterator, class _Distance>inline void __advance(_BidirectionalIterator& __i, _Distance __n,                       bidirectional_iterator_tag) {  __STL_REQUIRES(_BidirectionalIterator, _BidirectionalIterator);  if (__n >= 0)    while (__n--) ++__i;  else    while (__n++) --__i;}#if defined(__sgi) && !defined(__GNUC__) && (_MIPS_SIM != _MIPS_SIM_ABI32)#pragma reset woff 1183#endif// _RandomAccessIterator版本template <class _RandomAccessIterator, class _Distance>inline void __advance(_RandomAccessIterator& __i, _Distance __n,                       random_access_iterator_tag) {  __STL_REQUIRES(_RandomAccessIterator, _RandomAccessIterator);  __i += __n;}// advance 接口template <class _InputIterator, class _Distance>inline void advance(_InputIterator& __i, _Distance __n) {  __STL_REQUIRES(_InputIterator, _InputIterator);  __advance(__i, __n, iterator_category(__i));}__STL_END_NAMESPACE#endif /* __SGI_STL_INTERNAL_ITERATOR_BASE_H */

代码中有distance和advance两个函数，通过traits技术自动使用最佳的实现函数。

__type_traits

除了iterator_traits采用了traits技术外，还有一个叫做__type_traits的东西.

// 模拟true和false定义的两个空类型struct __true_type {};struct __false_type {};template <class _Tp>struct __type_traits {    typedef __true_type     this_dummy_member_must_be_first;   // 默认都是返回__false_type   // 无意义的构造函数   typedef __false_type    has_trivial_default_constructor;   // 无意义的复制构造函数   typedef __false_type    has_trivial_copy_constructor;   // 无意义的赋值操作符   typedef __false_type    has_trivial_assignment_operator;   // 无意义的析构函数   typedef __false_type    has_trivial_destructor;   // 是否是POD类型   typedef __false_type    is_POD_type;};// #define __STL_TEMPLATE_NULL template<>// 这里定义的都是全特化版本__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<char> {   typedef __true_type    has_trivial_default_constructor;   typedef __true_type    has_trivial_copy_constructor;   typedef __true_type    has_trivial_assignment_operator;   typedef __true_type    has_trivial_destructor;   typedef __true_type    is_POD_type;};// ...// 用于判断一个函数是否是整数类型template <class _Tp> struct _Is_integer {  // 默认不是整数类型  typedef __false_type _Integral;};// 全特化版本__STL_TEMPLATE_NULL struct _Is_integer<char> {  typedef __true_type _Integral;};

迭代器设计模式

迭代器模式是GoF提出的23中设计模式之一，**迭代器模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部表示。就如刚接触map/set等关联容器的时候，我们能够通过迭代器访问所有容器元素，却不知道容器是用红黑树实现的一样。

迭代器模式的类图结构如下：

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