C++_迭代器&范围for的本质

迭代器(iterator)

什么是迭代器

迭代器与容器的关系，相当于指针与数组的关系

因为容器是封装起来的，不知道内部是如何实现的，所以通过在内存中的地址的原理访问和遍历容器，一般来说是不实际的

要访问容器(顺序容器、关联容器)中的元素，就需要通过迭代器进行；就如同访问数组中的元素需要通过指针进行一样

用迭代器访问元素的操作也和用指针访问数组的操作很像

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：

   容器类名::iterator 迭代器名;

2. 常量正向迭代器，定义方法如下：

   容器类名::const_iterator 迭代器名;

3. 反向迭代器，定义方法如下：

   容器类名::reverse_iterator 迭代器名;

4. 常量反向迭代器，定义方法如下：

   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，迭代器会指向容器中的前一个元素。

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

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

程序的输出结果是：
0 1 2 3 4
8 6 4 2 0

第 6 行，vector 容器有多个构造函数，如果用无参构造函数初始化，则容器一开始是空的。

第 10 行，begin 成员函数返回指向容器中第一个元素的迭代器。++i 使得 i 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i != v.end()。

第 16 行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。

如果迭代器指向了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。

第 10 行和第 16 行，写++i、++j相比于写i++、j++，程序的执行速度更快。

回顾++被重载成前置和后置运算符的例子如下：

CDemo CDemo::operator++ ()
{  //前置++
    ++n;
    return *this;
}
CDemo CDemo::operator ++(int k)
{  //后置++
    CDemo tmp(*this);  //记录修改前的对象
    n++;
    return tmp;  //返回修改前的对象
}

后置++要多生成一个局部对象 tmp，因此执行速度比前置的慢。同理，迭代器是一个对象，STL 在重载迭代器的++运算符时，后置形式也比前置形式慢。在次数很多的循环中，++i和i++可能就会造成运行时间上可观的差别了。因此，本教程在前面特别提到，对循环控制变量i，要养成写++i、不写i++的习惯。

注意，容器适配器 stack、queue 和 priority_queue 没有迭代器。容器适配器有一些成员函数，可以用来对元素进行访问。

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来访问容器中的元素，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(下标)之差（也可以说是 p2 和 p1 之间的元素个数减一）。==

例如在vector中返回某个元素的下标

#include <iostream>//std::cout
#include<vector>//std::vector
using namespace std;
int main()
{
	vector<int> temp = { 1, 3, 2, 4, 5, 0 };
	vector<int>::iterator it = temp.begin();
	it += 2;//p+=i
	//此时it对应的元素下标为
	int index = it - temp.begin();//p2-p1
	cout << index;
}

输出2

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

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

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;
int main()
{
    vector<int> v(100); //v被初始化成有100个元素
    for(int i = 0;i < v.size() ; ++i) //size返回元素个数
        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) //用 != 比较两个迭代器
        cout << * i;
  
    for(i = v.begin(); i < v.end ();++i) //用 < 比较两个迭代器
        cout << * i;
  
    i = v.begin();
    while(i < v.end()) { //间隔一个输出
        cout << * i;
        i += 2; // 随机访问迭代器支持 "+= 整数"  的操作
    }
}

list 容器的迭代器是双向迭代器。

假设 v 和 i 的定义如下：

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

则以下代码是合法的：

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

以下代码则不合法：

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

因为双向迭代器不支持用 “<” 进行比较。以下代码也不合法：

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(好用)

STL 中有用于操作迭代器的三个函数模板

advance(p, n) 

使迭代器 p 向前或向后移动 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。

#include <list>
#include <iostream>
#include <algorithm> //要使用操作迭代器的函数模板，需要包含此文件
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;
}

程序的输出结果是：
\1) 3
\2) 2
\3) 3
\4) 1 5 3 4 2

返回 随机访问迭代器中某个元素的 位置(序号)(下标)

方法1⃣️用循环，从第1个元素开始找，直到找到对应的元素，返回下标

方法2⃣️利用find函数，找到对应元素的迭代器，利用“两个随机访问迭代器相减，返回值是两个迭代器对应的元素的序号(下标)之差”，用该元素的迭代器减去容器首元素迭代器，返回值就是该元素的下标

//例如：
#include <iostream>//std::cout
#include<vector>//std::vector
#include<algorithm>//std::find()

using namespace std;
int main()
{
	vector<int> temp = { 1, 3, 2, 4, 5, 0 };
	vector<int>::iterator it = find(temp.begin(), temp.end(), 5);//value为要查找的值，该函数返回一个指向对应元素的迭代器

//此时it对应的元素下标为
	int index = it - temp.begin();
	cout << index;
	
	return 0;
}

find函数是algorithm的库函数

find() 函数本质上是一个模板函数，用于在指定范围内查找和目标元素值相等的第一个元素。

如下为 find() 函数的语法格式：

InputIterator find (InputIterator first, InputIterator last, const T& value);

其中，first 和 last 为输入迭代器，[first, last) 用于指定该函数的查找范围；value 为要查找的目标元素。

正因为 first 和 last 的类型为输入迭代器，因此该函数适用于所有的序列式容器。

该函数会返回一个输入迭代器，当 find() 函数查找成功时，其指向的是在 [first, last) 区域内查找到的第一个目标元素；如果查找失败，则该迭代器的指向和 last 相同。

例如查找vector的元素时，first是vector.begin()，end是vector.end()

vector.end()是指向容器的最后一个元素之后的/0

值得一提的是，find() 函数的底层实现，其实就是用==运算符将 val 和 [first, last) 区域内的元素逐个进行比对。这也就意味着，[first, last) 区域内的元素必须支持==运算符。

举个例子：

#include <iostream>     // std::cout
#include <algorithm>    // std::find
#include <vector>       // std::vector
using namespace std;
int main()
{
	//find() 函数作用于普通数组
	char stl[] = "http://c.biancheng.net/stl/";
	//调用 find() 查找第一个字符 'c'
	char *p = find(stl, stl + strlen(stl), 'c');
	//判断是否查找成功
	if (p != stl + strlen(stl))
	{
		cout << p << endl;
	}
	
	//find() 函数作用于容器
	std::vector<int> myvector{ 10, 20, 30, 40, 50 };
	std::vector<int>::iterator it;

	it = find(myvector.begin(), myvector.end(), 30);
	if (it != myvector.end())
		cout << "查找成功：" << *it;
	else
		cout << "查找失败";
	return 0;
}

程序执行结果为：

c.biancheng.net/stl/
查找成功：30

可以看到，find() 函数除了可以作用于序列式容器，还可以作用于普通数组(因为在C++中普通数组也是容器)

补充：find() 函数的底层实现，C++ 标准库中给出了参数代码:

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

迭代器的好处

迭代器可以使用auto，更简便

string s("hello world");
string::iterator it1 = s.begin();
auto it2 = s.begin();
//二者是等同的

C++11范围for本质上就是替代了范围for

从汇编上就可以看出来