【C++ STL迭代器】详细介绍

编程语言 2025-04-11 20:17
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C++ 中的 迭代器（Iterator） 是用于遍历容器元素的一种抽象工具，类似于指针，提供了一种统一的方式来访问和操作 STL 容器中的元素。迭代器是 STL 的核心组件之一，与算法、容器紧密结合，使得容器与算法之间的分离成为可能。

以下将详细介绍 C++ 中的迭代器，包括其分类、特性、常见操作、自定义迭代器等。

1. 迭代器的概念

迭代器 是一个对象，允许用户逐一访问容器中的元素，而不需要了解底层数据结构。C++ STL 中的大多数容器都提供了迭代器，例如 std::vector、std::list、std::map 等。

迭代器的作用类似于指针，可以使用 * 操作符解引用获得当前元素，使用 ++、-- 操作符进行迭代（移动到下一个或上一个元素）。

2. 迭代器的分类

C++ STL 中的迭代器分为五类，按照它们的功能和性能特性进行划分：

2.1 输入迭代器（Input Iterator）

  • 特点：只读访问容器中的元素，支持单向遍历。

  • 操作：解引用（*）、前置/后置递增（++）。

  • 使用场景：适用于只需要从容器中读取元素的算法，如 std::find。

    示例：

    std::istream_iterator<int> input_it(std::cin);
std::istream_iterator<int> end;
while (input_it != end) {
      
      
    std::cout << *input_it << " ";
    ++input_it;
}

2.2 输出迭代器（Output Iterator）

  • 特点：只能写入元素，不能读取，支持单向遍历。

  • 操作：解引用赋值（*）、前置/后置递增（++）。

  • 使用场景：适用于将结果输出到容器或流的算法，如 std::copy。

    示例：

    std::ostream_iterator<int> output_it(std::cout, " ");
*output_it = 1; // 输出到标准输出
++output_it;

2.3 前向迭代器（Forward Iterator）

  • 特点：支持只读或读写访问，支持单向遍历，允许多次遍历相同的元素。

  • 操作：解引用（*）、前置/后置递增（++）。

  • 使用场景：适用于需要读写访问的算法，如 std::replace。

    示例：

    std::forward_list<int> flist = {
      
      1, 2, 3};
auto it = flist.begin();
while (it != flist.end()) {
      
      
    std::cout << *it << " ";
    ++it;
}

2.4 双向迭代器（Bidirectional Iterator）

  • 特点：支持双向遍历，既可以向前遍历，也可以向后遍历。

  • 操作：解引用（*）、前置/后置递增（++）、前置/后置递减（--）。

  • 使用场景：适用于需要双向遍历的算法，如 std::reverse。

    示例：

    std::list<int> lst = {
      
      1, 2, 3};
auto it = lst.rbegin(); // 反向迭代器
while (it != lst.rend()) {
      
      
    std::cout << *it << " ";
    ++it;
}

2.5 随机访问迭代器（Random Access Iterator）

  • 特点：支持随机访问，可以直接跳转到容器中的任意元素。是功能最强的迭代器类型。

  • 操作：解引用（*）、前置/后置递增（++）、前置/后置递减（--）、随机访问（it + n、it[n]、it - n）。

  • 使用场景：适用于需要高效随机访问的算法，如 std::sort。

    示例：

    std::vector<int> vec = {
      
      1, 2, 3};
auto it = vec.begin();
it += 2; // 移动到第三个元素
std::cout << *it << std::endl; // 输出 3

3. 迭代器的常见操作

  • begin() / end()：返回指向容器第一个元素和最后一个元素之后的迭代器。

    std::vector<int> vec = {
      
      1, 2, 3};
auto it = vec.begin();

  • 解引用：通过 *it 访问当前迭代器指向的元素。

    std::cout << *it << std::endl;

  • 递增：++it 前置递增，it++ 后置递增，移动到下一个元素。

    ++it;

  • 递减（仅适用于双向和随机访问迭代器）：

    --it;

  • 随机访问（仅适用于随机访问迭代器）：

    it += 2; // 移动到第三个元素

  • 比较：可以使用 ==、!= 来比较两个迭代器是否指向同一位置。随机访问迭代器还支持 <、>、<=、>= 等比较操作。

4. 反向迭代器

C++ 提供了反向迭代器，用于反向遍历容器。反向迭代器通过调用 rbegin() 和 rend() 获得。

示例：

std::vector<int> vec = {
    
    1, 2, 3};
auto rit = vec.rbegin(); // 反向迭代器指向最后一个元素
while (rit != vec.rend()) {
    
    
    std::cout << *rit << " ";
    ++rit;
}

在上述代码中，vec.rbegin() 返回指向最后一个元素的反向迭代器，vec.rend() 则返回指向第一个元素之前位置的反向迭代器。

5. 自定义迭代器

C++ 允许用户定义自己的迭代器，通过实现迭代器接口的相关函数，可以将自定义数据结构与 STL 算法结合使用。

自定义迭代器的步骤：

  1. 继承 std::iterator 或定义必要的类型别名，如 value_type、pointer、reference 等。
  2. 实现 operator* 用于解引用。
  3. 实现 operator++、operator--（根据迭代器类型，选择实现前置或后置版本）。
  4. 实现比较操作符 ==、!= 用于迭代器比较。

示例：简单的自定义迭代器

template<typename T>
class MyIterator {
    
    
public:
    using value_type = T;
    using pointer = T*;
    using reference = T&;
    using difference_type = std::ptrdiff_t;
    using iterator_category = std::forward_iterator_tag;

    MyIterator(pointer ptr) : ptr_(ptr) {
    
    }

    reference operator*() const {
    
     return *ptr_; }
    pointer operator->() {
    
     return ptr_; }

    // 前置递增
    MyIterator& operator++() {
    
    
        ++ptr_;
        return *this;
    }

    // 后置递增
    MyIterator operator++(int) {
    
    
        MyIterator tmp = *this;
        ++(*this);
        return tmp;
    }

    friend bool operator==(const MyIterator& a, const MyIterator& b) {
    
    
        return a.ptr_ == b.ptr_;
    }

    friend bool operator!=(const MyIterator& a, const MyIterator& b) {
    
    
        return a.ptr_ != b.ptr_;
    }

private:
    pointer ptr_;
};

// 使用自定义迭代器
int main() {
    
    
    int arr[] = {
    
    1, 2, 3};
    MyIterator<int> begin(arr);
    MyIterator<int> end(arr + 3);

    for (auto it = begin; it != end; ++it) {
    
    
        std::cout << *it << " ";
    }

    return 0;
}

6. 迭代器适配器

C++ STL 提供了多种迭代器适配器，用于在现有的迭代器基础上扩展功能：

  • std::reverse_iterator：反向迭代器

，用于反向遍历容器。

  • std::insert_iterator：用于在容器中插入元素的迭代器适配器。std::back_inserter、std::front_inserter 也是常见的插入迭代器，分别用于从容器的末尾和开头插入元素。

  • std::istream_iterator 和 std::ostream_iterator：分别用于从输入流读取数据和向输出流写入数据的迭代器适配器。

示例：反向迭代器适配器

std::vector<int> vec = {
    
    1, 2, 3, 4, 5};
std::reverse_iterator<std::vector<int>::iterator> rit = vec.rbegin();
while (rit != vec.rend()) {
    
    
    std::cout << *rit << " "; // 输出 5 4 3 2 1
    ++rit;
}

示例：插入迭代器适配器

std::vector<int> vec = {
    
    1, 2, 3};
std::vector<int> vec2;
std::copy(vec.begin(), vec.end(), std::back_inserter(vec2)); // 将 vec 的元素复制到 vec2 中

示例：流迭代器适配器

std::vector<int> vec = {
    
    1, 2, 3};
std::copy(vec.begin(), vec.end(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, " ")); // 输出 1 2 3

7. 迭代器的安全性问题

C++ 中的迭代器操作有时会引发安全性问题，主要包括：

  • 迭代器失效：当容器的结构发生变化时，如插入、删除、重分配等操作，迭代器可能会变得无效。

    • 例如，在 std::vector 中插入或删除元素后，指向原始元素的迭代器可能不再有效。
    • 使用 std::list 或 std::forward_list 等链表容器时，插入和删除操作通常不会使迭代器失效。

  • 访问非法位置：如果迭代器指向了容器的 end() 或 rend()，对其解引用可能会导致未定义行为。

避免迭代器失效的建议

  1. 了解容器特性：掌握不同容器在进行插入、删除操作时对迭代器的影响。例如，在 std::vector 中，避免在迭代时进行插入或删除操作。
  2. 迭代时慎用增删操作：在遍历容器时，尽量避免增删操作。若需要修改容器，考虑使用 remove_if、erase 结合使用，或通过手动管理迭代器来避免失效。
  3. 检查迭代器有效性：在使用迭代器时，务必检查其是否指向有效位置。

8. 总结

迭代器是 C++ 标准模板库中非常强大的工具，它为容器提供了统一的访问接口，使得算法与容器分离成为可能。理解并正确使用迭代器是掌握 C++ STL 的关键：

  • 迭代器类型：从最简单的输入、输出迭代器，到前向、双向和随机访问迭代器，不同类型的迭代器提供了不同的功能和性能特性。
  • 常见操作：迭代器支持解引用、递增、递减、随机访问和比较操作。
  • 适配器：迭代器适配器如 reverse_iterator、insert_iterator、istream_iterator 和 ostream_iterator 扩展了迭代器的功能。
  • 安全性问题：迭代器失效和非法访问是常见的安全性问题，必须谨慎处理。

通过合理地选择和使用迭代器，开发者可以编写出更为高效、简洁且易维护的 C++ 程序。

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