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C++ 迭代器（STL迭代器）

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要访问顺序容器和关联容器中的元素，需要通过 "迭代器（iterator）" 进行。迭代器是一个变量，相当于容器和操纵容器的算法之间的中介。迭代器可以指向容器中的某个元素，通过迭代器就可以读写它指向的元素。从这一点上看，迭代器和指针类似。

迭代器按照定义方式分成以下四种。

  1. 正向迭代器，定义方法如下：
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容器类名::iterator 迭代器名;
  1. 常量正向迭代器，定义方法如下：
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容器类名::const_iterator 迭代器名;
  1. 反向迭代器，定义方法如下:
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容器类名::reverse_iterator 迭代器名;
  1. 常量反向迭代器，定义方法如下:
1
容器类名::const_reverse_iterator 迭代器名;

迭代器用法示例

通过迭代器可以读取它指向的元素，*迭代器名 就表示迭代器指向的元素。通过非常量迭代器还能修改其指向的元素。

迭代器都可以进行 ++ 操作。反向迭代器和正向迭代器的区别在于：

  • 对正向迭代器进行 ++ 操作时，迭代器会指向容器中的后一个元素；

  • 而对反向迭代器进行 ++ 操作时，迭代器会指向容器的前一个元素。

下面的程序演示了如何通过迭代器遍历一个 vector 容器中的所有元素。

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#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    // v 是存放 int 类型变量的可变长数组，开始时没有元素
    vector<int > v;
    for (int i = 0; i < 5; ++i) {
        // push_back 成员函数在 vector 容器尾部添加一个元素
        v.push_back(i);
    }
    // 定义正向迭代器
    vector<int>::iterator it;
    // 用迭代器遍历容器
    for (it = v.begin(); it != v.end(); ++it) {
        // *it 就是迭代器 it 指向的元素
        cout << *it << " ";
        // 每个元素变为原来的 2 倍
        *it *= 2;
    }
    cout << endl;

    // 用反向迭代器遍历容器
    for (vector<int>::reverse_iterator j = v.rbegin(); j != v.rend(); ++j)
        cout << *j << " ";
    return 0;
}

输出：

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0 1 2 3 4
8 6 4 2 0

vector<int > v; 容器有多个构造函数，如果无参构造函数初始化，则容器一开始是空的。

begin 成员函数返回指向容器中第一个元素的迭代器。++it 使得 it 指向容器中的下一个元素。end 成员函数返回的不是指向最后一个元素的迭代器，而是指向最后一个元素后面的位置的迭代器，因此循环的终止条件是 it != v.end()。

vector<int>::reverse_iterator j = v.rbegin(); 定义了反向迭代器用以遍历容器。反向迭代器进行 ++ 操作后，会指向容器中的上一个元素。rbegin 成员函数返回指向容器中最后一个元素的迭代器，rend 成员函数返回指向容器中第一个元素前面的位置的迭代器，因此本循环实际上是从后往前遍历整个数组。

如果迭代器指向容器中最后一个元素的后面或第一个元素的前面，再通过该迭代器访问元素，就有可能导致程序崩溃，这和访问 NULL 或未初始化的指针指向的地方类似。

上面循环里面的 ++it 和 ++j 相比于 it++、j++，程序的执行速度更快。

迭代器的功能分类

不同容器的迭代器，其功能强弱有所不同。容器的迭代器的功能强弱，决定了该容器是否支持 STL 中的某种算法。例如，排序算法需要通过随机访问迭代器中的元素，因此有的容器就不支持排序算法。

常用的迭代器按功能强弱分为输入、输出、正向、双向、随机访问五种，这里只介绍常用的三种。

  1. 正向迭代器。假设 p 是一个正向迭代器，则 p 支持以下操作：++p、p++、*p。此外，两个正向迭代器可以互相赋值，还可以用 == 和 != 运算符进行比较。

  2. 双向迭代器。双向迭代器具有正向迭代器的全部功能。除此之外，若 p 是一个双向迭代器，则 --p 和 p-- 都是有定义的。--p 使得 p 朝和 ++p 相反的方向移动。

  3. 随机访问迭代器。随机访问迭代器具有双向迭代器的全部功能。若 p 是一个随机访问迭代器，i 是一个整型变量或常量，则 p 还支持以下操作：

  • p += i: 使得 p 往后移动 i 个元素

  • p -= i: 使得 p 往前移动 i 个元素

  • p + i: 返回 p 后面第 i 个元素的迭代器

  • p - i: 返回 p 前面第 i 个元素的迭代器

  • p[i]: 返回 p 后面第 i 个元素的引用。

此外，两个随机访问迭代器 p1、p2 还可以用 <、>、<=、>= 运算符进行比较。p1 < p2 的含义是：p1 经过若干次（至少一次）++ 操作后，就会等于 p2。其他比较方式的含义与此类似。

对于两个随机访问迭代器 p1、p2，表达式 p2 - p1 也是有定义的，其返回值是 p2 所指向元素和 p1 所指向元素的序号之差（也可以说是 p2 和 p1 之间的元素个数减 1）。

不同容器的迭代器的功能：

容器 迭代器功能
vector 随机访问
deque 随机访问
list 双向
set/multiset 双向
map/multimap 双向
stack 不支持迭代器
queue 不支持迭代器
priority_queue 不支持迭代器

例如，vector 的迭代器是随机迭代器，因此遍历 vector 有以下两种做法。下面的程序中，每个循环演示了一种做法。

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#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    vector<int> v(100);
    for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
        cout << v[i]; // 像普通数组一样使用 vector 容器
    vector<int>::iterator i;
    for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i)
        cout << *i;
    for (i = v.begin(); i < v.end(); ++i)
        cout << *i;
    i = v.begin();
    while (i < v.end()) {
        cout << *i;
        i += 2;
    }
    return 0;
}

list 容器的迭代器是双向迭代器。假设 v 和 i 的定义如下：

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list<int> v;
list<int>::const_iterator i;

则以下代码是合法的：

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for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i)
    cout << *i;

以下代码则不合法：

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for (i = v.begin(); i < v.end(); ++i)
    cout << v[i];

因为双向迭代器不支持用 "<" 进行比较。以下代码也不合法：

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for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
    cout << v[i];

因为 list 不支持随机访问迭代器的容器，也不支持用下标随机访问其元素。

在 C++ 中，数组也是容器。数组的迭代器就是指针，而且是随机访问迭代器。例如，对于数组 int a[10]，int * 类型的指针就是其迭代器。则 a、a + 1、a + 2 都是 a 的迭代器。

迭代器的辅助函数

STL 中有用于操作迭代器的三个函数模板，它们是：

  • advance(p, n): 使迭代器 p 向前或后移动 n 个元素

  • distance(p, q): 计算两个迭代器之间的距离，即迭代器 p 经过多少次 ++ 操作后和迭代器 q 相等。如果调用时 p 已经指向 q 的后面，则这个函数会陷入死循环。

  • iter_swap(p, q): 用于交换两个迭代器 p、q 指向的值。

要使用上述模板，需要包含头文件 algorithm。下面的程序演示了这三个函数模板的用法。

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#include <list>
#include <iostream>
#include <algorithm>
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 向后移动两个元素，指向 3
    cout << "1) " << *p << endl; // 输出 1)3
    advance(p, -1); // p 向前移动一个元素，指向 2
    cout << "2)" << *p << endl; // 输出 2)2
    list<int>::iterator q = lst.end();
    q--; // q 指向 5
    cout << "3)" << distance(p, q) << endl; // 输出 3)3
    iter_swap(p, q); //交换 2 和 5
    cout << "4)";
    for (p = lst.begin(); p != lst.end(); ++p)
        cout << *p <<  " ";
    return 0;
}

输出：

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1)3
2)2
3)3
4)1 5 3 4 2