5 迭代器

约 1068 字大约 4 分钟

2023-10-01

5.1 迭代器的设计准则

Iterator 必须提供5种 associated type（说明自己的特性的）来供算法来识别，以便算法正确地使用 Iterator

template <class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
    ...
	typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; // (1)迭代器类别：双向迭代器	
	typedef T value_type; // (2)迭代器所指对象的类型
	typedef Ptr pointer; // (3)迭代器所指对象的指针类型
	typedef Ref reference; // (4)迭代器所指对象的引用类型
	typedef ptrdiff_t difference_type; // (5)两个迭代器之间的距离类型
    // iter1-iter2 时，要保证数据类型以存储任何两个迭代器对象间的距离
    ...

}
// 迭代器回答

// | Λ
// | |
// | | 
// V |

// 算法直接提问
template <typename I>
inline void algorithm(I first, I last)
{
    ...
    I::iterator_category
    I::pointer
    I::reference
    I::value_type
    I::difference_type
    ...
}

但当 Iterator 并不是 class 时，例如指针本身，就不能 typedef 了 —— 这时就要设计一个 Iterator Traits

Traits：用于定义类型特征的信息，从而在编译时根据类型的不同进行不同的操作或处理 —— 类似一个萃取机（针对不同类型做不同操作：偏特化）

// I是class iterator进
template <class I>
struct Iterator_traits
{
	typedef typename I::iterator_category iterator_category;
	typedef typename I::value_type value_type;
	typedef typename I::difference_type difference_type;
	typedef typename I::pointer pointer;
	typedef typename I::reference reference;
    // typename用于告诉编译器，接下来的标识符是一个类型名，而不是一个变量名或其他名称
    // I::iterator_category 是一个类型名
    // iterator_category是这个迭代器类型内部的一个嵌套类型（typedef ...）
};

// I是指向T的指针进
template <class T>
struct Iterator_traits<T*>
{
	typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
	typedef T value_type;
	typedef ptrdiff_t difference_type;
	typedef T* pointer;
	typedef T& reference;
};

// I是指向T的常量指针进
template <class T>
struct Iterator_traits<const T*>
{
	typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
	typedef T value_type; // 注意是T而不是const T
    // 按理说是const T，但声明一个不能被赋值的变量无用
    // 所以value_type不应加上const
	typedef ptrdiff_t difference_type;
	typedef const T* pointer;
	typedef const T& reference;
};

除了 Iterator Traits，还有很多其他 Traits

5.2 迭代器的分类

迭代器的分类对算法的效率有很大的影响

输入迭代器 input_iterator_tag：istream迭代器
输出迭代器 output_iterator_tag：ostream迭代器
单向迭代器 forward_iterator_tag：forward_list，hash类容器
双向迭代器 bidirectional_iterator_tag： list、红黑树容器
随机存取迭代器 random_access_iterator_tag：array、vector、deque

用有继承关系的class实现：
方便迭代器类型作为参数进行传递，如果是整数的是不方便的
有些算法的实现没有实现所有类型的迭代器类别，就要用继承关系去找父迭代器类别

struct input_iterator_tag {};
struct output_iterator_tag {};
struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag {};
struct bidirectional_iterator_tag : public forward_iterator_tag {};
struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag {};

算法 distance 将会按照迭代器的类别进行不同的操作以提升效率

如果迭代器可以跳，直接 last - first 即可
如果迭代器不能跳，就只能一步一步走来计数

两者的效率差别很大

但如果迭代器类别是 farward_iterator_tag 或者 bidirectional_iterator_tag，该算法没有针对这种类型迭代器实现，就可以用继承关系来使用父类的实现（继承关系——“is a” 子类是一种父类，当然可以用父类的实现）

算法 copy 将经过很多判断筛选来找到最高效率的实现

其中用到了 Iterator Traits 和 Type Traits 来进行筛选

has trivial op=() 是指的有不重要的拷贝赋值函数（例如复数用的自带的拷贝赋值函数）

注意：由于 output_iterator_tag（例如 ostream_iterator）是 write-only，无法用 * 来读取内容，所以在设计时就需要再写个专属版本

在源码中，算法都是模板函数，接受所有的 iterator，但一些算法只能用特定的 iterator，所以其会在模板参数的名称上进行暗示：