C++ 迭代器iterator_c++iterator

一、迭代器简介

在 C++ 中，迭代器（iterator）是一种通用的抽象概念，用于在容器（如 std::vector、std::list、std::map 等）中遍历和访问元素。迭代器提供了一种统一的接口，使得不同类型的容器可以以相似的方式进行遍历和操作。

大多数 C++ 容器都提供了迭代器，用于遍历容器中的元素。例如，std::vector 和 std::deque 提供了随机访问迭代器，std::list 提供了双向迭代器，std::set 和 std::map 提供了双向迭代器。

二、迭代器分类

迭代器类似于指针，可以通过解引用（dereferencing）来访问指向的元素，并且可以通过递增或递减操作符进行移动。C++ 标准库提供了多种类型的迭代器，它们根据支持的操作和特性可分为以下几类：

1. 输入迭代器（Input Iterator）：只读迭代器，支持前向移动、解引用、相等/不等比较。适用于单遍扫描的算法。
2. 输出迭代器（Output Iterator）：只写迭代器，支持前向移动和解引用赋值。适用于单遍输出的算法。
3. 前向迭代器（Forward Iterator）：支持读写操作，只能前向移动。适用于多遍扫描的算法。
4. 双向迭代器（Bidirectional Iterator）：支持读写操作，可以前向和后向移动。适用于需要反向遍历的算法。
5. 随机访问迭代器（Random Access Iterator）：支持读写操作，可以进行任意跳跃。适用于需要随机访问的算法。

三、迭代器使用

容器类提供了一些方法来获取和操作迭代器，例如：

1. begin()：返回指向容器中第一个元素的迭代器。
2. end()：返回指向容器中最后一个元素之后的迭代器。
3. rbegin()：返回指向容器中最后一个元素的逆向迭代器（仅双向迭代器和随机访问迭代器的容器）。
4. rend()：返回指向容器中第一个元素之前的逆向迭代器（仅双向迭代器和随机访问迭代器的容器）。

当我们需要遍历容器时，可以使用容器提供的这些方法来获取迭代器，然后用迭代器来访问和操作容器中的元素。

以下是一个使用 std::vector 的迭代器遍历容器的例子：

#include <iostream>
#include <vector>
 
int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5};
 
    // 使用 auto 关键字简化迭代器类型声明
    for (auto it = numbers.begin(); it != numbers.end(); ++it) {
        std::cout << *it << std::endl; // 输出 numbers 容器中的每个元素
    }
 
    return 0;
}

在这个例子中，numbers.begin() 返回指向容器中第一个元素的迭代器，numbers.end() 返回指向容器中最后一个元素之后的迭代器。通过递增迭代器 ++it，我们可以遍历容器中的所有元素。

四、迭代器原理

迭代器对象与容器相关联的原因在于迭代器对象的设计和实现。迭代器对象通常会存储与特定容器实例相关的信息，如指向容器中的某个元素的指针或者其他表示当前位置的数据。通过这些信息，迭代器对象可以在容器中定位和访问元素。虽然迭代器对象本身是独立的，但它与特定容器实例密切相关，因为它需要知道容器的内部结构以执行遍历和访问操作。

当你使用容器的成员函数（如 begin()、end() 等）获取迭代器时，这些函数会创建一个与容器实例关联的迭代器对象。这个迭代器对象存储了足够的信息，以便在容器内遍历元素。

以 std::vector 为例，当你调用 std::vector<T>::begin() 时，它会返回一个指向容器中第一个元素的迭代器。这个迭代器内部通常包含一个指向第一个元素的指针。当你对迭代器执行递增操作（如 ++it）时，这个指针会根据容器内元素的布局和类型进行移动，从而指向下一个元素。这样，迭代器就能够根据容器的结构进行遍历和访问操作。

需要注意的是，迭代器与容器的关联是在运行时建立的，因此迭代器对象需要与创建它的容器保持同步。如果在迭代器存在的过程中容器发生改变（如添加、删除元素等），可能会导致迭代器失效。在这种情况下，继续使用失效的迭代器可能会导致未定义的行为。因此，在使用迭代器时要确保正确处理这些情况，如在容器发生改变时及时更新迭代器。