C++ 头文件系列(iterator)

简介

该头文件围绕迭代器展开，定义了一系列与迭代器有关的概念，但最最最重要的一点就是----它和其它容器一起实现了C++容器的Iterator设计模式。

Iterators are a generalization of pointers that allow a C++ program to work with different data structures(containers) in a uniform manner.

上述文字摘自C++14标准草案，简而言之，迭代器就是对指针的一层封装，提供了统一的接口。

使用迭代器有很多好处：

访问数据内容，同时不暴露其内部结构，降低耦合性。
支持multiple traversal（即同时有多个遍历发生）。
提供统一的访问接口和多态遍历（该多态为静态多态，发生在编译期）。

详细请见设计模式。

迭代器类别

迭代器主要有5类（[iterator-class]代指该类迭代器支持的操作集）：

这里有两点需要特别说明：

multi-pass：它的意思是支持同时多次个遍历 （这个概念有待验证）。
解引用：该操作是有限制的，只能出现在赋值语句的左边。

不难看出，这几类迭代器有如下关系:

迭代器与指针

因为迭代器实际上是指针的抽象，很多功能概念都是从指针身上“扒”下来的，所以它的语义跟指针是一致的。

这意味着什么呢？这意味着可以传入指针作为迭代器，因为指针上的操作集（递增、递减、算数运算等）是迭代器的超集，模版定义对迭代器所做出的操作要求放在指针上完全适用。

这在操纵内置数组的时候，可以省去不少麻烦(不用再去敲多余的代码来生成iterators)：

int numbers[] = { 1,2,3,4 };

std::find(numbers, numbers + 4, 2);

迭代器基础设施

标准库提供了以下4个方面的设施来帮助用户使用iterator。

iterator_traits类

“traits”是特性的意思，所以“iterator_traits”是迭代器特性的意思。从代码角度看，这里的traits就是types，因为这个类只包含了五个类型定义：

difference_type
value_type
reference
pointer
iterator_category

因为algorithm在C++是单独的一块，是iterator将容器与算法沟通在一起。也就是说，标准库的算法只是通过迭代器来进行数据操作。必然而然的，一些操作需要有对应的类型： 1) 例如，应用distance库函数计算迭代器的距离，应该返回“距离”类型的值。 2) 例如，获取迭代器指向的对象，应该返回“对象值”类型的对象。等等...

所以，标准库的算法需要我们定义这些类型，好让它在应用算法的时候使用正确的类型。

需要注意的是，当迭代器为output iterators时，上面的4个类型可能被定义为void（可能对于output iterator来说，这四个类型都没有多大意义，它支持的操作非常有限）。

iterator类

上面这个iterator_traits类取自某个库的iterator实现，可以看到，默认的iterator_traits模版内的类型定义都取自迭代器中相应的类型，即_Iter迭代器类。所以我们在定义自己的迭代器的时候，如果定义了这些类，就不用再显示实例化iterator_traits模版了，它能自动提取出这些类型。

这时候就轮到我们的iterator类来大显身手啦！用户只要继承这个base class并指定两个参数，就可以获得剩余的三个类型定义，因为它的定义是这样的：

iterator category tags

对应迭代器类别，这里也有5类标签（tag），名称为XXX_tag，XXX对应迭代器名称。

这个标签的作用主要是实现标签派发功能，提供迭代器类型信息，从而让C++库算法可以选择合适的、高效的操作来完成算法（可参见下一小节）。

iterator functions

头文件还提供了一些方便的操纵迭代器的函数供用户使用：

advance（步进）
distance（距离）
next（下一个）
prev（上一个）：只支持双向迭代器以上（因为单向迭代器不支持“--”操作符）。

对于不同类型的迭代器，上述四个函数采用不同的方法进行计算，例如：

随机访问迭代器支持算数运算，故使用“+”和“-”操作符进行运算（若两个迭代器分别为first和last，则计算他们之间的距离只需要last - first）。
单向迭代器只支持递增运算，故使用++运算符进行运算（若两个迭代器分别为first和last，计算他们之间的距离需要重复对first进行递增，知道first == last）

迭代器适配器

类

标准库包含了三种迭代器适配器：

Reverse iterator：这种迭代器对元素进行反向迭代。注意，当从某个迭代器构造出reverse iterator时，新的迭代器不再指向先前的元素，而是指向前一个元素（按旧迭代器的顺序），因为end iterator逆转过来才是begin iterator。

Insert iterator：通过迭代器进行元素的插入时，操作略有不同。指针通常是指向已有的内存，因此迭代器一般也只是对指向地址的元素进行赋值；而插入元素是需要先分配内存，再赋值。为了能让使用者像使用一般迭代器那样进行元素的插入，标准库提供了3种插入迭代器：
- back_insert_iterator
- front_insert_iterator
- insert_iterator
Move iterator：移动迭代器会将内部的迭代器的操作返回值全部转换成右值（rvalue）。

生成函数（Generators）

back_inserter
front_inserter
inserter
make_move_inserter

这些都是全局模版函数，利用类型推导帮助用户构造上述的三种迭代器适配器。

流迭代器

输入输出一直是语言非常重要的部分，对于C++迭代器来说，操纵流（stream）中数据的输入输出的重要性毋庸置疑。 Stream Iterator则是针对stream的一套迭代器，包括istream，ostream，istreambuf 和 ostreambuf。

以下两种是input iterator：

istream_iterator
istreambuf_iterator

以下两种是output iterator：

ostream_iterator
ostreambuf_iterator