C++疊代器(STL疊代器)iterator詳解

2020-07-16 10:04:19
要存取順序容器和關聯容器中的元素,需要通過“疊代器(iterator)”進行。疊代器是一個變數,相當於容器和操縱容器的演算法之間的中介。疊代器可以指向容器中的某個元素,通過疊代器就可以讀寫它指向的元素。從這一點上看,疊代器和指標類似。

疊代器按照定義方式分成以下四種。

1) 正向疊代器,定義方法如下:

容器類名::iterator  疊代器名;


2) 常數正向疊代器,定義方法如下:

容器類名::const_iterator  疊代器名;


3) 反向疊代器,定義方法如下:

容器類名::reverse_iterator  疊代器名;


4) 常數反向疊代器,定義方法如下:

容器類名::const_reverse_iterator  疊代器名;

疊代器用法範例

通過疊代器可以讀取它指向的元素,*疊代器名就表示疊代器指向的元素。通過非常數迭代器還能修改其指向的元素。

疊代器都可以進行++操作。反向疊代器和正向疊代器的區別在於:
  • 對正向疊代器進行++操作時,疊代器會指向容器中的後一個元素;
  • 而對反向疊代器進行++操作時,疊代器會指向容器中的前一個元素。

下面的程式演示了如何通過疊代器遍歷一個 vector 容器中的所有元素。
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    vector<int> v;  //v是存放int型別變數的可變長陣列,開始時沒有元素
    for (int n = 0; n<5; ++n)
        v.push_back(n);  //push_back成員函數在vector容器尾部新增一個元素
    vector<int>::iterator i;  //定義正向疊代器
    for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i) {  //用疊代器遍歷容器
        cout << *i << " ";  //*i 就是疊代器i指向的元素
        *i *= 2;  //每個元素變為原來的2倍
    }
    cout << endl;
    //用反向疊代器遍歷容器
    for (vector<int>::reverse_iterator j = v.rbegin(); j != v.rend(); ++j)
        cout << *j << " ";
    return 0;
}
程式的輸出結果是:
0 1 2 3 4
8 6 4 2 0

第 6 行,vector 容器有多個建構函式,如果用無參建構函式初始化,則容器一開始是空的。

第 10 行,begin 成員函數返回指向容器中第一個元素的疊代器。++i 使得 i 指向容器中的下一個元素。end 成員函數返回的不是指向最後一個元素的疊代器,而是指向最後一個元素後面的位置的疊代器,因此迴圈的終止條件是i != v.end()

第 16 行定義了反向疊代器用以遍歷容器。反向疊代器進行++操作後,會指向容器中的上一個元素。rbegin 成員函數返回指向容器中最後一個元素的疊代器,rend 成員函數返回指向容器中第一個元素前面的位置的疊代器,因此本迴圈實際上是從後往前遍歷整個陣列。

如果疊代器指向了容器中最後一個元素的後面或第一個元素的前面,再通過該疊代器存取元素,就有可能導致程式崩潰,這和存取 NULL 或未初始化的指標指向的地方類似。

第 10 行和第 16 行,寫++i++j相比於寫i++j++,程式的執行速度更快。回顧++被過載成前置和後置運算子的例子如下:
CDemo CDemo::operator++ ()
{  //前置++
    ++n;
    return *this;
}
CDemo CDemo::operator ++(int k)
{  //後置++
    CDemo tmp(*this);  //記錄修改前的物件
    n++;
    return tmp;  //返回修改前的物件
}
後置++要多生成一個區域性物件 tmp,因此執行速度比前置的慢。同理,疊代器是一個物件,STL 在過載疊代器的++運算子時,後置形式也比前置形式慢。在次數很多的迴圈中,++ii++可能就會造成執行時間上可觀的差別了。因此,本教學在前面特別提到,對迴圈控制變數i,要養成寫++i、不寫i++的習慣。

注意,容器介面卡 stack、queue 和 priority_queue 沒有疊代器。容器介面卡有一些成員函數,可以用來對元素進行存取。

疊代器的功能分類

不同容器的疊代器,其功能強弱有所不同。容器的疊代器的功能強弱,決定了該容器是否支援 STL 中的某種演算法。例如,排序演算法需要通過隨機存取疊代器來存取容器中的元素,因此有的容器就不支援排序演算法。

常用的疊代器按功能強弱分為輸入、輸出、正向、雙向、隨機存取五種,這裡只介紹常用的三種。

1) 正向疊代器。假設 p 是一個正向疊代器,則 p 支援以下操作:++p,p++,*p。此外,兩個正向疊代器可以互相賦值,還可以用==!=運算子進行比較。

2) 雙向疊代器。雙向疊代器具有正向疊代器的全部功能。除此之外,若 p 是一個雙向疊代器,則--pp--都是有定義的。--p使得 p 朝和++p相反的方向移動。

3) 隨機存取疊代器。隨機存取疊代器具有雙向疊代器的全部功能。若 p 是一個隨機存取疊代器,i 是一個整型變數或常數,則 p 還支援以下操作:
  • p+=i:使得 p 往後移動 i 個元素。
  • p-=i:使得 p 往前移動 i 個元素。
  • p+i:返回 p 後面第 i 個元素的疊代器。
  • p-i:返回 p 前面第 i 個元素的疊代器。
  • p[i]:返回 p 後面第 i 個元素的參照。

此外,兩個隨機存取疊代器 p1、p2 還可以用 <、>、<=、>= 運算子進行比較。p1<p2的含義是:p1 經過若干次(至少一次)++操作後,就會等於 p2。其他比較方式的含義與此類似。

對於兩個隨機存取疊代器 p1、p2,表示式p2-p1也是有定義的,其返回值是 p2 所指向元素和 p1 所指向元素的序號之差(也可以說是 p2 和 p1 之間的元素個數減一)。

表1所示為不同容器的疊代器的功能。

表1:不同容器的疊代器的功能
容器 疊代器功能
vector 隨機存取
deque 隨機存取
list 雙向
set / multiset 雙向
map / multimap 雙向
stack 不支援疊代器
queue 不支援疊代器
priority_queue 不支援疊代器

例如,vector 的疊代器是隨機疊代器,因此遍歷 vector 容器有以下幾種做法。下面的程式中,每個迴圈演示了一種做法。

【範例】遍歷 vector 容器。
#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    vector<int> v(100); //v被初始化成有100個元素
    for(int i = 0;i < v.size() ; ++i) //size返回元素個數
        cout << v[i]; //像普通陣列一樣使用vector容器
    vector<int>::iterator i;
    for(i = v.begin(); i != v.end (); ++i) //用 != 比較兩個疊代器
        cout << * i;
    for(i = v.begin(); i < v.end ();++i) //用 < 比較兩個疊代器
        cout << * i;
    i = v.begin();
    while(i < v.end()) { //間隔一個輸出
        cout << * i;
        i += 2; // 隨機存取疊代器支援 "+= 整數"  的操作
    }
}
list 容器的疊代器是雙向疊代器。假設 v 和 i 的定義如下:
list<int> v;
list<int>::const_iterator i;
則以下程式碼是合法的:
for(i=v.begin(); i!=v.end(); ++i)
cout << *i;
以下程式碼則不合法:
for(i=v.begin(); i<v.end(); ++i)
cout << *i;
因為雙向疊代器不支援用“<”進行比較。以下程式碼也不合法:
for(int i=0; i<v.size(); ++i)
cout << v[i];
因為 list 不支援隨機存取疊代器的容器,也不支援用下標隨機存取其元素。

在 C++ 中,陣列也是容器。陣列的疊代器就是指標,而且是隨機存取疊代器。例如,對於陣列 int a[10],int * 型別的指標就是其疊代器。則 a、a+1、a+2 都是 a 的疊代器。

疊代器的輔助函數

STL 中有用於操作迭代器的三個函數模板,它們是:
  • advance(p, n):使疊代器 p 向前或向後移動 n 個元素。
  • distance(p, q):計算兩個疊代器之間的距離,即疊代器 p 經過多少次 + + 操作後和疊代器 q 相等。如果呼叫時 p 已經指向 q 的後面,則這個函數會陷入死迴圈。
  • iter_swap(p, q):用於交換兩個疊代器 p、q 指向的值。

要使用上述模板,需要包含標頭檔案 algorithm。下面的程式演示了這三個函數模板的 用法。
#include <list>
#include <iostream>
#include <algorithm> //要使用操作迭代器的函數模板,需要包含此檔案
using namespace std;
int main()
{
    int a[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    list <int> lst(a, a+5);
    list <int>::iterator p = lst.begin();
    advance(p, 2);  //p向後移動兩個元素,指向3
    cout << "1)" << *p << endl;  //輸出 1)3
    advance(p, -1);  //p向前移動一個元素,指向2
    cout << "2)" << *p << endl;  //輸出 2)2
    list<int>::iterator q = lst.end();
    q--;  //q 指向 5
    cout << "3)" << distance(p, q) << endl;  //輸出 3)3
    iter_swap(p, q); //交換 2 和 5
    cout << "4)";
    for (p = lst.begin(); p != lst.end(); ++p)
        cout << *p << " ";
    return 0;
}
程式的輸出結果是:
1) 3
2) 2
3) 3
4) 1 5 3 4 2