C++模板实战6：迭代器

1 迭代器的类型：

输入迭代器 、前向迭代器、双向迭代器、跳转迭代器以及输出迭代器。这五种迭代器的限制条件从左至右越来越强。

2 输入迭代器需满足的条件：

X u(a);	X可复制构造
u=a;	可赋值
u==a;	可比较相等
u!=a;	可比较不相等
*u;	可去引用，且若有u==a，*u==*a
u->m;	等价于(*u).m
++u;	若之前有a==u，则在++u后不一定有++a==u
(void)u++;	等价于(void)++u
*u++;	等价于{X tmp=u; ++u; return tmp;}

3 前向迭代器满足的条件：

X u(a); X();	X可复制构造
X u=a; X(a); X u=a;	可赋值构造
u==a;	可比较相等
u=a;	可赋值
u!=a;	可比较不相等
*u;	可去引用，且若有u==a，*u==*a
u->m;	等价于(*u).m
++u;	若之前有a==u，则一定有++u==++a //这点和输入迭代器不同
u++;	等价于{X tmp=u; ++u; return tmp;}

输入迭代器和前向迭代器的++u操作不同，输入迭代器自增后之前和该迭代器相等的都失效了，实例如下：构造一个栈的迭代器（事实上栈不需要迭代器因为其只在栈顶操作），每次栈迭代器自增操作就会弹出栈顶元素，指向新的栈顶元素

#include <iostream>
#include <stack>

template<typename Stack>
class stack_iterator
{
public:
    typedef typename Stack::value_type value_type;
    typedef typename Stack::reference reference;

private:
    Stack &s;
    value_type *pos;
public:
    stack_iterator(Stack &_s) : s(_s), pos(_s.size() ? &_s.top() : 0) {}
    reference operator * () const {return *pos;}
    stack_iterator& operator ++ () {
        s.pop();
        pos = s.size() ? &s.top() : 0;
        return *this;
    }
    bool operator == (stack_iterator const &rh) const {return pos == rh.pos;}
    bool operator != (stack_iterator const &rh) const {return pos != rh.pos;}
};

int main()
{
    using namespace std;
    int numbers[] = {0, 1, 2, 3, 4};
    typedef stack<int> int_stack;
    int_stack s;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) s.push(numbers[i]);

    stack_iterator<int_stack> a(s);
    stack_iterator<int_stack> b(s);
    cout<<*a<<" "<<*b<<endl;//a和b指向同一个栈顶元素
    cout << ((a == b) ? "a == b" : "a != b") << endl;
    ++a;//之前的b所指的栈顶元素被弹出去了，a指向新的栈顶
    cout<<*a<<" "<<*b<<endl;
    ++b;//之前a指向的栈顶元素被弹出去了，b执行新的栈顶
    cout<<*a<<" "<<*b<<endl;
    cout << ((a == b) ? "++a == ++b" : "++a != ++b") << endl;

     cout << *a << endl;   // 危险操作，a所指数据已经出栈，空间已经被释放
}

程序输出：

4 4
a == b
3 4
3 2
++a != ++b
3        //虽然有输出，但是这是危险操作

前向迭代器支持算法多次遍历数据，而输入迭代器在自增操作时可能会使其它迭代器失效。

4 双向迭代器，在前向迭代器基础上增加了后退操作如下：

--u;	将迭代器后退一位，只要存在迭代器s满足++s==u,则一定有—u==s
u--;	等价于{X tmp=u; --u; return tmp;}

5 跳转迭代器(随机迭代器)：在双向迭代器基础上增加了跳转指定位操作：

u+=n;	当n>0时相当于进行n次++u操作，当n<0时等价于进行n次—u操作
u-=n;	等价于u+=-n;
u+n; n+u;	等价于{X tmp=u; return tmp+=n;}
u-n;	等价于{X tmp=u; return tmp-=n;}
v-u;	得到两代器v和u间的距离，结果为一整数满足：v=u+n;
u[n];	等价于*(u+n)
u<n;	等价于u-n<0
u>v;	等价于v<u
u<=v;	等价于!(u>v)
u>=v	等价于!(u<v)

6 输出迭代器：与输入迭代器类似，输出迭代器移至下一位置后不能保证和之前相等的迭代器还有效，作用于输出迭代器的算法也只能遍历一次。例如：将一个缓冲区写入文件，当迭代器向前移动时，其它迭代器可能失效，因为数据已经改变了。

X(a); X u(a); X u=a;	可复制构造
*u=o;	去引用所得必须是一个对所指数据的左值引用
++u;	迭代器移至下一个位置
u++;	等价于{X tmp=u; ++u; return tmp;}

7 如果迭代器能满足输出迭代器的要求，则可称为是可写迭代器，即通过迭代器可以改变其所指数据的值*u=o;否则称为只读迭代器。vector、deque、array提供可写跳转迭代器，list提供可写双向迭代器，forward_list提供可写前向迭代器，set和multiset提供只读双向迭代器(key值不能改变),而map和multimap能修改value但是不能修改key所以迭代器类型不易分类，hash和二叉搜索树也如此。

8 迭代器属性类模板：迭代器出了提供必要的操作外，还需要包含足够的信息描述其本身的属性。标准模板类std::iterator_traits<T>为算法提取迭代器的属性。标准规定了迭代器的五种属性：

1） difference_type迭代器差值类型

2） valule_type迭代器所指数据类型

3） pointer数据指针类型

4） reference数据引用类型

5） iterator_category迭代器所属类型

利用iterator_category算法作者可以根据迭代器类型采取不同的策略，实例如下:模仿std::advance(i,n)

// 适用于前向迭代器的advance函数实现，n次加1操作
template<typename I>
void advance_impl(I &i,
                  typename std::iterator_traits<I>::difference_type n,
                  std::forward_iterator_tag)
{for (; n > 0; --n) ++i;}

// 适用于跳转迭代器的advance函数实现，直接用i += n
template<typename I>
void advance_impl(I &i,
                  typename std::iterator_traits<I>::difference_type n,
                  std::random_access_iterator_tag)
{i += n;}

template<typename I>
void advance(I &i, typename I::difference_type n)
{
    // 以iterator_category()为哑参数指导编译器选择适当的重载实现，不参与任何实现工作，只用于重载识别，不需要参数名
    advance_impl(i, n,
                 typename std::iterator_traits<I>::iterator_category());
}

同理可以实现std::distance.

9 标准定义的迭代器基类模板，实例如下：

namespace std{
    template<typename Category,typename Value,typename Distance=std::ptrdiff_t,
        typename Pointer=Value*,typename Reference=Value&>
    struct iterator{
        using iterator_category=Category;
        using value_type=Value;
        using difference_type=Distance;
        using pointer=Pointer;
        using reference=Reference;
    };
}

template<typename T>
struct myIterator: public std::iterator<std::forward_iterator_tag,T>//继承标准的迭代器类可以实现简化自己的迭代器代码，并且无需再为指针之类实现自定义迭代器模板特例
{
    //...
};

10  
反向迭代器模板类reverse_iterator<T>可以构造一个前进方向与原迭代器完全相反的迭代器，其自增操作是实际为后退操作，这在一些反向访问序列算法中非常有用，例如通过向find(i,j,v)传入反向迭代器从而可以找到元素v在序列[i,j)中最后一次出现的位置。值得注意的是：反向迭代器的解引用是其所指位置后退一位的数据引用，这是为了保证左开右闭区间的使用习惯。实例如下：

#include <cstring>
#include <iostream>
#include <iterator>
#include <algorithm>

void print(char c) {std::cout << c;}
int main()
{
    char array[] = "Madam I'm Adam";
    typedef std::reverse_iterator<char*> backward_iterator;

    using namespace std;

    for_each(backward_iterator(array + strlen(array)),backward_iterator(array),print);//第一个迭代器指向的是'\0'但是其解引用是'm'。第二个迭代器指向'a'但是其解引用是'M'

    cout << endl;
    return 0;
}

11
插入迭代器：在指定位置前插入元素。三种插入模板类迭代器以容器为模板参数：

1） back_insert_iterator<C> 在容器末端插入数据，容器支持push_back操作

2） front_insert_iterator<C> 在容器前端插入数据，容器支持push_front操作

3） insert_iterator<C> 在容器指定位置插入数据，容器支持insert(i,v)操作

标准实现了三个模板函数用于插入：

1) back_inserter(c)

2) front_inserter(c)

3) inserter(c,i)

实例如下：

void foo() {
    using namespace std;
    int array[] = {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
    list<int> il;
    // 将array[5]到array[9]插入到il末尾
    copy(array + 5, array + 10, back_inserter(il));

    // 将array[4]到array[0]插入到il前端，为保证数据顺序不变，需要用到
    // reverse_iterator
    typedef reverse_iterator<int*> array_reverse_iterator;
    copy(array_reverse_iterator(array + 5),array_reverse_iterator(array),front_inserter(il));
}

11
流迭代器：可以直接作用于内存外的数据，如文件/标准输入输出。迭代器器只符合输入迭代器或输出迭代器的要求，因此只能为算法提供单次遍历。

标准定义的流迭代器类模板：

1） istream_iterator 输入流迭代器

2） ostream_iterator输出流迭代器

3） istreambuf_iterator 输出缓冲区迭代器

4） ostreambuf_iterator 输出缓冲区迭代器

istream_iterator和ostream_iterator基于">>"操作符提取/输出数据，而istreambuf_iterator和ostreambuf_iterator基于底层面向字节的函数实现数据提取/输出。

实例如下：

#include<algorithm>
#include<iostream>
#include<iterator>
#include<sstream>
using namespace std;
int main(){
    using namespace std;
    istringstream s("The quick brown fox jumps over the lazy dog.");
    using char_istream_iterator=istream_iterator<char>;
    //typedef istreambuf_iterator<char> char_istream_iterator;
    cout << count(char_istream_iterator(s),char_istream_iterator(),'o')<<endl;  // 统计流中某字符的出现次数
    //cout<<count(char_istream_iterator(s),char_istream_iterator(),' ')<<endl;
}

统计'o'在字符串中出现的次数，由于istream_buf基于">>"操作符实现，所以不能统计空格出现的次数。注释的istreambuf_iterator基于sgetc()面向字符处理函数能统计空格出现的次数。

输出流迭代器不支持比较相等，ostream_iterator利用"<<"操作符实现，其输出流在构造时指定，还需接收一个分隔符作为参数，而ostreambuf_iterator基于sputc()面向字符输出，不支持分隔符。当为标准库容器或其它自定义类重载">>"或"<<"用于流迭代器时，一定要把该重载操作符写在std命名空间内，因为流迭代器在std内，重载操作符也应该在std内。实例如下：

#include <iostream>
#include <iterator>
#include <map>

namespace std {
    // 必须在std命名空间内为pair声明“<<”重载函数
    template<typename T0, typename T1>
    ostream& operator << (ostream& os, pair<T0, T1> const &p)
    {
        os << '(' << p.first << ", " << p.second << ')';
        return os;
    }
}

int main()
{
    using namespace std;
    typedef map<int, char> ic_map;
    typedef ic_map::value_type value_type;
    // 映射初始值
    value_type data[] = {value_type(0, 'a'),
                         value_type(1, 'b'),
                         value_type(2, 'c')};

    ic_map m(data, data + 3);

    copy(m.begin(), m.end(),
         ostream_iterator<ic_map::value_type>(cout, "\n"));//采用换行符为分隔符
    return 0;
}

程序输出：

(0, a)
(1, b)
(2, c)