STL组件之迭代器

STL的一个重要特点是数据结构和算法的分离。尽管这是个简单的概念，但这种分离确实使得STL变得非常通用。例如，由于STL的sort()函数是完全通用的，你可以用它来操作几乎任何数据集合，包括链表，容器和数组。

要点

STL算法作为模板函数提供。为了和其他组件相区别，在本书中STL算法以后接一对圆括弧的方式表示，例如sort()。

STL 另一个重要特性是它不是面向对象的。为了具有足够通用性，STL主要依赖于模板而不是封装，继承和虚函数（多态性）——OOP的三个要素。你在STL中找不到任何明显的类继承关系。这好像是一种倒退，但这正好是使得STL的组件具有广泛通用性的底层特征。另外，由于STL是基于模板，内联函数的使用使得生成的代码短小高效。

提示

确保在编译使用了STL的程序中至少要使用-O优化来保证内联扩展。

STL组件

STL提供了大量的模板类和函数，可以在OOP和常规编程中使用。所有的STL的大约50个算法都是完全通用的，而且不依赖于任何特定的数据类型。下面的小节说明了三个基本的STL组件：

1）迭代器提供了访问容器中对象的方法。例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。迭代器就如同一个指针。事实上，C++的指针也是一种迭代器。但是，迭代器也可以是那些定义了operator*()以及其他类似于指针的操作符地方法的类对象。

2）容器是一种数据结构，如list，vector，和deques ，以模板类的方法提供。为了访问容器中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器。

3）算法是用来操作容器中的数据的模板函数。例如，STL用sort()来对一个vector中的数据进行排序，用find()来搜索一个list中的对象。函数本身与他们操作的数据的结构和类型无关，因此他们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用。

1、头文件

为了避免和其他头文件冲突， STL的头文件不再使用常规的.h扩展。为了包含标准的string类，迭代器和算法，用下面的指示符：

 

#include <string>  
#include <iterator>  
#include <algorithm> 

 

如果你查看STL的头文件，你可以看到象iterator.h和stl_iterator.h这样的头文件。由于这些名字在各种STL实现之间都可能不同，你应该避免使用这些名字来引用这些头文件。为了确保可移植性，使用相应的没有.h后缀的文件名。

 

2、名字空间

你的编译器可能不能识别名字空间。名字空间就好像一个信封，将标志符封装在另一个名字中。标志符只在名字空间中存在，因而避免了和其他标志符冲突。例如，可能有其他库和程序模块定义了sort()函数，为了避免和STL地sort()算法冲突，STL的sort()以及其他标志符都封装在名字空间std中。 STL的sort()算法编译为std::sort()，从而避免了名字冲突。

尽管你的编译器可能没有实现名字空间，你仍然可以使用他们。为了使用STL，可以将下面的指示符插入到你的源代码文件中，典型地是在所有的#include指示符的后面：

using namespace std; 

 

 

#p#

3、迭代器

迭代器提供对一个容器中的对象的访问方法，并且定义了容器中对象的范围。迭代器就如同一个指针。事实上，C++的指针也是一种迭代器。但是，迭代器不仅仅是指针，因此你不能认为他们一定具有地址值。例如，一个数组索引，也可以认为是一种迭代器。

迭代器有各种不同的创建方法。程序可能把迭代器作为一个变量创建。一个STL容器类可能为了使用一个特定类型的数据而创建一个迭代器。作为指针，必须能够使用*操作符类获取数据。你还可以使用其他数学操作符如++。典型的，++操作符用来递增迭代器，以访问容器中的下一个对象。如果迭代器到达了容器中的***一个元素的后面，则迭代器变成past-the-end值。使用一个past-the-end值得指针来访问对象是非法的，就好像使用NULL或为初始化的指针一样。

（1）提示

STL不保证可以从另一个迭代器来抵达一个迭代器。例如，当对一个集合中的对象排序时，如果你在不同的结构中指定了两个迭代器，第二个迭代器无法从***个迭代器抵达，此时程序注定要失败。这是STL灵活性的一个代价。STL不保证检测毫无道理的错误。

（2）迭代器的类型

对于STL数据结构和算法，你可以使用五种迭代器。下面简要说明了这五种类型：

• Input iterators 提供对数据的只读访问。
• Output iterators 提供对数据的只写访问
• Forward iterators 提供读写操作，并能向前推进迭代器。
• Bidirectional iterators提供读写操作，并能向前和向后操作。
• Random access iterators提供读写操作，并能在数据中随机移动。

尽管各种不同的STL实现细节方面有所不同，还是可以将上面的迭代器想象为一种类继承关系。从这个意义上说，下面的迭代器继承自上面的迭代器。由于这种继承关系，你可以将一个Forward迭代器作为一个output或input迭代器使用。同样，如果一个算法要求是一个bidirectional 迭代器，那么只能使用该种类型和随机访问迭代器。

指针迭代器

正如下面的小程序显示的，一个指针也是一种迭代器。该程序同样显示了 STL的一个主要特性——它不只是能够用于它自己的类类型，而且也能用于任何C或C++类型。Listing 1, iterdemo.cpp, 显示了如何把指针作为迭代器用于STL的find()算法来搜索普通的数组。

表 1. iterdemo.cpp

 

#include <iostream.h>  
#include <algorithm>  
using namespace std;  
#define SIZE 100  
int iarray[SIZE];  
int main()  
{  
iarray[20] = 50;  
int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);  
if (ip == iarray + SIZE)  
cout << "50 not found in array" << endl;  
else 
cout << *ip << " found in array" << endl;  
return 0;  
} 

在引用了I/O流库和STL算法头文件（注意没有.h后缀），该程序告诉编译器使用std名字空间。使用std名字空间的这行是可选的，因为可以删除该行对于这么一个小程序来说不会导致名字冲突。

程序中定义了尺寸为SIZE的全局数组。由于是全局变量，所以运行时数组自动初始化为零。下面的语句将在索引20位置处地元素设置为50,并使用find()算法来搜索值50:

 

iarray[20] = 50;  
int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50); 

find() 函数接受三个参数。头两个定义了搜索的范围。由于C和C++数组等同于指针，表达式iarray指向数组的***个元素。而第二个参数iarray + SIZE等同于past-the-end 值，也就是数组中***一个元素的后面位置。第三个参数是待定位的值，也就是50。find()函数返回和前两个参数相同类型的迭代器，这儿是一个指向整数的指针ip。

提示

必须记住STL使用模板。因此，STL函数自动根据它们使用的数据类型来构造。

为了判断find()是否成功，例子中测试ip和 past-the-end 值是否相等：

 

if (ip == iarray + SIZE)  

如果表达式为真，则表示在搜索的范围内没有指定的值。否则就是指向一个合法对象的指针，这时可以用下面的语句显示：:

 

cout << *ip << " found in array" << endl; 

测试函数返回值和NULL是否相等是不正确的。不要象下面这样使用：

 

int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);  
if (ip != NULL) ... // ??? incorrect 

当使用STL函数时，只能测试ip是否和past-the-end 值是否相等。尽管在本例中ip是一个C++指针,其用法也必须符合STL迭代器的规则。

#p#

容器迭代器

尽管C++指针也是迭代器，但用的更多的是容器迭代器。容器迭代器用法和iterdemo.cpp一样，但和将迭代器申明为指针变量不同的是，你可以使用容器类方法来获取迭代器对象。两个典型的容器类方法是begin()和end()。它们在大多数容器中表示整个容器范围。其他一些容器还使用 rbegin()和rend()方法提供反向迭代器，以按反向顺序指定对象范围。

下面的程序创建了一个矢量容器（STL的和数组等价的对象），并使用迭代器在其中搜索。该程序和前一章中的程序相同。

Listing 2. vectdemo.cpp

 

#include <iostream.h>  
#include <algorithm>  
#include <vector>  
using namespace std;  
vector<int> intVector(100);  
void main()  
{  
intVector[20] = 50;  
vector<int>::iterator intIter =  
find(intVector.begin(), intVector.end(), 50);  
if (intIter != intVector.end())  
cout << "Vector contains value " << *intIter << endl;  
else 
cout << "Vector does not contain 50" << endl;  
} 

 

注意用下面的方法显示搜索到的数据：

 

cout << "Vector contains value " << *intIter << endl; 

常量迭代器

和指针一样，你可以给一个迭代器赋值。例如，首先申明一个迭代器：

 

vector<int>::iterator first; 

该语句创建了一个vector<int>类的迭代器。下面的语句将该迭代器设置到intVector的***个对象，并将它指向的对象值设置为123：

 

first = intVector.begin();  
*first = 123; 

这种赋值对于大多数容器类都是允许的，除了只读变量。为了防止错误赋值，可以申明迭代器为：

 

const vector<int>::iterator result;  
result = find(intVector.begin(), intVector.end(), value);  
if (result != intVector.end())  
*result = 123; // ??? 

警告

另一种防止数据被改变得方法是将容器申明为const类型。

『呀！在VC中测试出错,正确的含义是result成为常量而不是它指向的对象不允许改变，如同int *const p;看来这作者自己也不懂』

使用迭代器编程

你已经见到了迭代器的一些例子，现在我们将关注每种特定的迭代器如何使用。由于使用迭代器需要关于STL容器类和算法的知识，在阅读了后面的两章后你可能需要重新复习一下本章内容。

#p#

输入迭代器

输入迭代器是最普通的类型。输入迭代器至少能够使用==和!=测试是否相等；使用*来访问数据；使用++操作来递推迭代器到下一个元素或到达past-the-end 值。

为了理解迭代器和STL函数是如何使用它们的，现在来看一下find()模板函数的定义：

 

template <class InputIterator, class T>  
InputIterator find(  
InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {  
while (first != last && *first != value) ++first;  
return first;  
} 

 

注意

在find()算法中，注意如果first和last指向不同的容器，该算法可能陷入死循环。

输出迭代器

输出迭代器缺省只写，通常用于将数据从一个位置拷贝到另一个位置。由于输出迭代器无法读取对象，因此你不会在任何搜索和其他算法中使用它。要想读取一个拷贝的值，必须使用另一个输入迭代器（或它的继承迭代器）。

Listing 3. outiter.cpp

 

#include <iostream.h>  
#include <algorithm> // Need copy()  
#include <vector> // Need vector  
using namespace std;  
double darray[10] =  
{1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9};  
vector<double> vdouble(10);  
int main()  
{  
vector<double>::iterator utputIterator = vdouble.begin();  
copy(darray, darray + 10, outputIterator);  
while (outputIterator != vdouble.end()) {  
cout << *outputIterator << endl;  
outputIterator++;  
}  
return 0;  
} 

注意

当使用copy()算法的时候，你必须确保目标容器有足够大的空间，或者容器本身是自动扩展的。

#p#

前推迭代器

前推迭代器能够读写数据值，并能够向前推进到下一个值。但是没法递减。replace()算法显示了前推迭代器的使用方法。

 

template <class ForwardIterator, class T>  
void replace (ForwardIterator first,  
ForwardIterator last,  
const T& old_value,  
const T& new_value); 

使用replace()将[first,last]范围内的所有值为old_value的对象替换为new_value。:

 

replace(vdouble.begin(), vdouble.end(), 1.5, 3.14159); 

双向迭代器

双向迭代器要求能够增减。如reverse()算法要求两个双向迭代器作为参数:

 

template <class BidirectionalIterator>  
void reverse (BidirectionalIterator first,  
BidirectionalIterator last); 

使用reverse()函数来对容器进行逆向排序:

 

reverse(vdouble.begin(), vdouble.end()); 

随机访问迭代器

随机访问迭代器能够以任意顺序访问数据，并能用于读写数据（不是const的C++指针也是随机访问迭代器）。STL的排序和搜索函数使用随机访问迭代器。随机访问迭代器可以使用关系操作符作比较。

random_shuffle() 函数随机打乱原先的顺序。申明为：

 

template <class RandomAccessIterator>  
void random_shuffle (RandomAccessIterator first,  
RandomAccessIterator last); 

 

使用方法：

random_shuffle(vdouble.begin(), vdouble.end()); 

 

迭代器技术

要学会使用迭代器和容器以及算法，需要学习下面的新技术。

流和迭代器

本书的很多例子程序使用I/O流语句来读写数据。例如：

 

int value;  
cout << "Enter value: ";  
cin >> value;  
cout << "You entered " << value << endl; 

对于迭代器，有另一种方法使用流和标准函数。理解的要点是将输入/输出流作为容器看待。因此，任何接受迭代器参数的算法都可以和流一起工作。

Listing 4. outstrm.cpp

 

#include <iostream.h>  
#include <stdlib.h> // Need random(), srandom()  
#include <time.h> // Need time()  
#include <algorithm> // Need sort(), copy()  
#include <vector> // Need vector  
 
using namespace std;  
 
void Display(vector<int>& v, const char* s);  
 
int main()  
{  
// Seed the random number generator  
srandom( time(NULL) );  
 
// Construct vector and fill with random integer values  
vector<int> collection(10);  
for (int i = 0; i < 10; i++)  
collection[i] = random() % 10000;;  
 
// Display, sort, and redisplay  
Display(collection, "Before sorting");  
sort(collection.begin(), collection.end());  
Display(collection, "After sorting");  
return 0;  
}  
 
// Display label s and contents of integer vector v  
void Display(vector<int>& v, const char* s)  
{  
cout << endl << s << endl;  
copy(v.begin(), v.end(),  
ostream_iterator<int>(cout, "\t"));  
cout << endl;  
} 

 

函数Display()显示了如何使用一个输出流迭代器。下面的语句将容器中的值传输到cout输出流对象中:

 

copy(v.begin(), v.end(),  
ostream_iterator<int>(cout, "\t")); 

第三个参数实例化了ostream_iterator<int>类型，并将它作为copy()函数的输出目标迭代器对象。“\t”字符串是作为分隔符。运行结果：

 

$ g++ outstrm.cpp  
$ ./a.out  
Before sorting  
677 722 686 238 964 397 251 118 11 312  
After sorting  
11 118 238 251 312 397 677 686 722 964 

这是STL神奇的一面『确实神奇』。为定义输出流迭代器，STL提供了模板类ostream_iterator。这个类的构造函数有两个参数：一个ostream对象和一个string值。因此可以象下面一样简单地创建一个迭代器对象：

 

ostream_iterator<int>(cout, "\n") 

该迭代起可以和任何接受一个输出迭代器的函数一起使用。

插入迭代器

插入迭代器用于将值插入到容器中。它们也叫做适配器，因为它们将容器适配或转化为一个迭代器，并用于copy()这样的算法中。例如，一个程序定义了一个链表和一个矢量容器:

list<double> dList;  
vector<double> dVector; 

通过使用front_inserter迭代器对象，可以只用单个copy()语句就完成将矢量中的对象插入到链表前端的操作：

 

copy(dVector.begin(), dVector.end(), front_inserter(dList)); 

三种插入迭代器如下：

•  普通插入器 将对象插入到容器任何对象的前面。
•  Front inserters 将对象插入到数据集的前面——例如，链表表头。
•  Back inserters 将对象插入到集合的尾部——例如，矢量的尾部，导致矢量容器扩展。

使用插入迭代器可能导致容器中的其他对象移动位置，因而使得现存的迭代器非法。例如，将一个对象插入到矢量容器将导致其他值移动位置以腾出空间。一般来说，插入到象链表这样的结构中更为有效，因为它们不会导致其他对象移动。

Listing 5. insert.cpp

 

#include <iostream.h>  
#include <algorithm>  
#include <list>  
using namespace std;  
int iArray[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };  
void Display(list<int>& v, const char* s);  
int main()  
{  
list<int> iList;  
// Copy iArray backwards into iList  
copy(iArray, iArray + 5, front_inserter(iList));  
Display(iList, "Before find and copy");  
// Locate value 3 in iList  
list<int>::iterator p =  
find(iList.begin(), iList.end(), 3);  
// Copy first two iArray values to iList ahead of p  
copy(iArray, iArray + 2, inserter(iList, p));  
Display(iList, "After find and copy");  
return 0;  
}  
void Display(list<int>& a, const char* s)  
{  
cout << s << endl;  
copy(a.begin(), a.end(),  
ostream_iterator<int>(cout, " "));  
cout << endl;  
} 

 

运行结果如下：

 

$ g++ insert.cpp  
$ ./a.out  
Before find and copy  
5 4 3 2 1  
After find and copy  
5 4 1 2 3 2 1 

可以将front_inserter替换为back_inserter试试。

如果用find()去查找在列表中不存在的值，例如99。由于这时将p设置为past-the-end 值。***的copy()函数将iArray的值附加到链表的后部。

混合迭代器函数

在涉及到容器和算法的操作中，还有两个迭代器函数非常有用：

• advance() 按指定的数目增减迭代器。
• distance() 返回到达一个迭代器所需（递增）操作的数目。

例如：

 

list<int> iList;  
list<int>::iterator p =  
find(iList.begin(), iList.end(), 2);  
cout << "before: p == " << *p << endl;  
advance(p, 2); // same as p = p + 2;  
cout << "after : p == " << *p << endl;  
 
int k = 0;  
distance(p, iList.end(), k);  
cout << "k == " << k << endl; 

 

advance()函数接受两个参数。第二个参数是向前推进的数目。对于前推迭代器，该值必须为正，而对于双向迭代器和随机访问迭代器，该值可以为负。

使用 distance()函数来返回到达另一个迭代器所需要的步骤。

注意：distance()函数是迭代的，也就是说，它递增第三个参数。因此，你必须初始化该参数。未初始化该参数几乎注定要失败。

希望通过本文的介绍，能够给你帮助。