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【c++手撕STL】之迭代器

迭代器定义

在C++ STL(Standard Template Library，标准模板库)中，迭代器是一个非常重要的组成部分。迭代器像是一个指针，负责在容器的元素之间移动，并且能够访问到容器的元素。

C++ STL提供了几种类型的迭代器，每种迭代器都有它独特的功能和特性：

  1. 输入迭代器（Input Iterators）：只读不写，只能单向移动（自增++）。
  2. 输出迭代器（Output Iterators）：只写不读，只能单向移动（自增++）。
  3. 前向迭代器（Forward Iterators）：可读写，只能单向移动（自增++）。
  4. 双向迭代器（Bidirectional Iterators）：可读写，可以双向移动（自增++，自减–）。
  5. 随机访问迭代器（Random Access Iterators）：可读写，支持全部迭代器运算。可以进行任意跳跃的访问。

在使用时，可以像操作指针一样通过*操作符来操作迭代器访问元素，例如*iter。STL中的标准容器像是vector、list、map等都支持迭代器，你可以创建相应的迭代器来进行遍历操作。

例如：

std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
for(std::vector<int>::iterator it = vec.begin(); it != vec.end(); ++it) {
    std::cout << *it << std::endl;
}

在这个例子中，vec.begin()返回一个指向vector开始的迭代器，vec.end()返回一个指向vector结尾后一位置的迭代器。这是STL的一种惯用方式，end()迭代器并不指向任何元素，它用来提供一种方便的判断遍历是否结束的条件。

迭代器的种类

手撕代码

类型信息定义

#ifndef __TYPE_TRAITS_HPP__
#define __TYPE_TRAITS_HPP__

// 这个头文件用于提取类型信息

#include <type_traits>
#include <utility>

namespace Stl
{
    template <class T, T v>
    struct m_integral_constant
    {
        static constexpr T value = v;
    };
    template <bool b>
    using m_bool_constant = m_integral_constant<bool, b>;

    typedef m_bool_constant<true> m_true_type;
    typedef m_bool_constant<false> m_false_type;

    // is_pair

    // --- forward declaration end

    template <class T>
    struct is_pair : Stl::m_false_type
    {
    };

    template <class T1, class T2>
    struct is_pair<std::pair<T1, T2>> : Stl::m_true_type
    {
    };
}

#endif /* __TYPE_TRAITS_HPP__ */

迭代器设计

#ifndef __ITERATOR_HPP__
#define __ITERATOR_HPP__

// 这个头文件用于迭代器设计，包含了一些模板结构体与全局函数，

#include <cstddef>
#include "type_traits.hpp"

namespace Stl
{

    // 五种迭代器类型
    // 输入迭代器
    struct input_iterator_tag
    {
    };
    // 输出迭代器
    struct output_iterator_tag
    {
    };
    // 前向迭代器
    struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag
    {
    };
    // 双向迭代器
    struct bidirectional_iterator_tag : public forward_iterator_tag
    {
    };
    // 随机访问迭代器
    struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag
    {
    };

    // iterator 模板
    template <class Category, class T, class Distance = ptrdiff_t,
              class Pointer = T *, class Reference = T &>
    struct iterator
    {
        typedef Category iterator_category; // 迭代器类型标签
        typedef T value_type;               // 所指对象类型
        typedef Pointer pointer;            // 指针类型
        typedef Reference reference;        // 引用类型
        typedef Distance difference_type;   // 两个迭代器之间距离的类型，通常是ptrdiff_t
    };

    // iterator traits
    // 检查是否有迭代器类型标签
    template <class T>
    struct has_iterator_cat
    {
    private:
        struct two
        {
            char a;
            char b;
        };
        template <class U>
        static two test(...);
        template <class U>
        static char test(typename U::iterator_category * = 0);

    public:
        static const bool value = sizeof(test<T>(0)) == sizeof(char);
    };

    template <class Iterator, bool>
    struct iterator_traits_impl
    {
    };

    template <class Iterator>
    struct iterator_traits_impl<Iterator, true>
    {
        typedef typename Iterator::iterator_category iterator_category;
        typedef typename Iterator::value_type value_type;
        typedef typename Iterator::pointer pointer;
        typedef typename Iterator::reference reference;
        typedef typename Iterator::difference_type difference_type;
    };

    template <class Iterator, bool>
    struct iterator_traits_helper
    {
    };

    template <class Iterator>
    struct iterator_traits_helper<Iterator, true>
        : public iterator_traits_impl<Iterator,
                                      std::is_convertible<typename Iterator::iterator_category, input_iterator_tag>::value ||
                                          std::is_convertible<typename Iterator::iterator_category, output_iterator_tag>::value>
    {
    };

    // 萃取迭代器的特性
    template <class Iterator>
    struct iterator_traits
        : public iterator_traits_helper<Iterator, has_iterator_cat<Iterator>::value>
    {
    };

    // 针对原生指针的偏特化版本
    // 辅助函数来访问迭代器的属性
    template <class T>
    struct iterator_traits<T *>
    {
        typedef random_access_iterator_tag iterator_category; // 获取迭代器类型标签
        typedef T value_type;                                 // 获取所指对象类型
        typedef T *pointer;                                   // 获取指针类型
        typedef T &reference;                                 // 获取引用类型
        typedef ptrdiff_t difference_type;                    // 获取距离类型
    };

    template <class T>
    struct iterator_traits<const T *>
    {
        typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
        typedef T value_type;
        typedef const T *pointer;
        typedef const T &reference;
        typedef ptrdiff_t difference_type;
    };

    // 检查迭代器类型标签是否匹配
    template <class T, class U, bool = has_iterator_cat<iterator_traits<T>>::value>
    struct has_iterator_cat_of
        : public m_bool_constant<std::is_convertible<
              typename iterator_traits<T>::iterator_category, U>::value>
    {
    };

    // 萃取某种迭代器
    template <class T, class U>
    struct has_iterator_cat_of<T, U, false> : public m_false_type
    {
    };

    // 检查是否为输入迭代器
    template <class Iter>
    struct is_input_iterator : public has_iterator_cat_of<Iter, input_iterator_tag>
    {
    };

    // 检查是否为输出迭代器
    template <class Iter>
    struct is_output_iterator : public has_iterator_cat_of<Iter, output_iterator_tag>
    {
    };

    // 检查是否为前向迭代器
    template <class Iter>
    struct is_forward_iterator : public has_iterator_cat_of<Iter, forward_iterator_tag>
    {
    };

    // 检查是否为双向迭代器
    template <class Iter>
    struct is_bidirectional_iterator : public has_iterator_cat_of<Iter, bidirectional_iterator_tag>
    {
    };

    // 检查是否为随机访问迭代器
    template <class Iter>
    struct is_random_access_iterator : public has_iterator_cat_of<Iter, random_access_iterator_tag>
    {
    };

    // 检查是否为迭代器（输入或输出）
    template <class Iterator>
    struct is_iterator : public m_bool_constant<is_input_iterator<Iterator>::value ||
                                                is_output_iterator<Iterator>::value>
    {
    };

    // 萃取某个迭代器的 category
    template <class Iterator>
    typename iterator_traits<Iterator>::iterator_category
    iterator_category(const Iterator &)
    {
        typedef typename iterator_traits<Iterator>::iterator_category Category;
        return Category();
    }

    // 萃取某个迭代器的 distance_type
    template <class Iterator>
    typename iterator_traits<Iterator>::difference_type *
    distance_type(const Iterator &)
    {
        return static_cast<typename iterator_traits<Iterator>::difference_type *>(0);
    }

    // 萃取某个迭代器的 value_type
    template <class Iterator>
    typename iterator_traits<Iterator>::value_type *
    value_type(const Iterator &)
    {
        return static_cast<typename iterator_traits<Iterator>::value_type *>(0);
    }

    // 以下函数用于计算迭代器间的距离

    // distance 的 input_iterator_tag 的版本
    template <class InputIterator>
    typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type
    distance_dispatch(InputIterator first, InputIterator last, input_iterator_tag)
    {
        typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type n = 0;
        while (first != last)
        {
            ++first;
            ++n;
        }
        return n;
    }

    // distance 的 random_access_iterator_tag 的版本
    template <class RandomIter>
    typename iterator_traits<RandomIter>::difference_type
    distance_dispatch(RandomIter first, RandomIter last,
                      random_access_iterator_tag)
    {
        return last - first;
    }

    // 计算两个迭代器之间的距离
    template <class InputIterator>
    typename iterator_traits<InputIterator>::difference_type
    distance(InputIterator first, InputIterator last)
    {
        return distance_dispatch(first, last, iterator_category(first));
    }

    // 以下函数用于让迭代器前进 n 个距离

    // advance 的 input_iterator_tag 的版本
    template <class InputIterator, class Distance>
    void advance_dispatch(InputIterator &i, Distance n, input_iterator_tag)
    {
        while (n--)
            ++i;
    }

    // advance 的 bidirectional_iterator_tag 的版本
    template <class BidirectionalIterator, class Distance>
    void advance_dispatch(BidirectionalIterator &i, Distance n, bidirectional_iterator_tag)
    {
        if (n >= 0)
            while (n--)
                ++i;
        else
            while (n++)
                --i;
    }

    // advance 的 random_access_iterator_tag 的版本
    template <class RandomIter, class Distance>
    void advance_dispatch(RandomIter &i, Distance n, random_access_iterator_tag)
    {
        i += n;
    }

    // 将迭代器前进指定步数
    template <class InputIterator, class Distance>
    void advance(InputIterator &i, Distance n)
    {
        advance_dispatch(i, n, iterator_category(i));
    }

    /*****************************************************************************************/

    // 模板类 : reverse_iterator
    // 代表反向迭代器，使前进为后退，后退为前进
    template <class Iterator>
    class reverse_iterator
    {
    private:
        Iterator current; // 记录对应的正向迭代器

    public:
        // 反向迭代器的五种相应型别
        typedef typename iterator_traits<Iterator>::iterator_category iterator_category;
        typedef typename iterator_traits<Iterator>::value_type value_type;
        typedef typename iterator_traits<Iterator>::difference_type difference_type;
        typedef typename iterator_traits<Iterator>::pointer pointer;
        typedef typename iterator_traits<Iterator>::reference reference;

        typedef Iterator iterator_type;
        typedef reverse_iterator<Iterator> self;

    public:
        // 构造函数
        reverse_iterator() {}
        explicit reverse_iterator(iterator_type i) : current(i) {}
        reverse_iterator(const self &rhs) : current(rhs.current) {}

    public:
        // 取出对应的正向迭代器
        iterator_type base() const
        {
            return current;
        }

        // 重载操作符
        reference operator*() const
        { // 实际对应正向迭代器的前一个位置
            auto tmp = current;
            return *--tmp;
        }
        pointer operator->() const
        {
            return &(operator*());
        }

        // 前进(++)变为后退(--)
        self &operator++()
        {
            --current;
            return *this;
        }
        self operator++(int)
        {
            self tmp = *this;
            --current;
            return tmp;
        }
        // 后退(--)变为前进(++)
        self &operator--()
        {
            ++current;
            return *this;
        }
        self operator--(int)
        {
            self tmp = *this;
            ++current;
            return tmp;
        }

        self &operator+=(difference_type n)
        {
            current -= n;
            return *this;
        }
        self operator+(difference_type n) const
        {
            return self(current - n);
        }
        self &operator-=(difference_type n)
        {
            current += n;
            return *this;
        }
        self operator-(difference_type n) const
        {
            return self(current + n);
        }

        reference operator[](difference_type n) const
        {
            return *(*this + n);
        }
    };

    // 重载 operator-
    template <class Iterator>
    typename reverse_iterator<Iterator>::difference_type
    operator-(const reverse_iterator<Iterator> &lhs,
              const reverse_iterator<Iterator> &rhs)
    {
        return rhs.base() - lhs.base();
    }

    // 重载比较操作符
    template <class Iterator>
    bool operator==(const reverse_iterator<Iterator> &lhs,
                    const reverse_iterator<Iterator> &rhs)
    {
        return lhs.base() == rhs.base();
    }

    template <class Iterator>
    bool operator<(const reverse_iterator<Iterator> &lhs,
                   const reverse_iterator<Iterator> &rhs)
    {
        return rhs.base() < lhs.base();
    }

    template <class Iterator>
    bool operator!=(const reverse_iterator<Iterator> &lhs,
                    const reverse_iterator<Iterator> &rhs)
    {
        return !(lhs == rhs);
    }

    template <class Iterator>
    bool operator>(const reverse_iterator<Iterator> &lhs,
                   const reverse_iterator<Iterator> &rhs)
    {
        return rhs < lhs;
    }

    template <class Iterator>
    bool operator<=(const reverse_iterator<Iterator> &lhs,
                    const reverse_iterator<Iterator> &rhs)
    {
        return !(rhs < lhs);
    }

    template <class Iterator>
    bool operator>=(const reverse_iterator<Iterator> &lhs,
                    const reverse_iterator<Iterator> &rhs)
    {
        return !(lhs < rhs);
    }

} // namespace mystl

#endif /* __ITERATOR_HPP__ */

源码解析 :

定义了五个迭代器标签类：

  • input_iterator_tag：输入迭代器

  • output_iterator_tag：输出迭代器

  • forward_iterator_tag：前向迭代器，继承自输入迭代器

  • bidirectional_iterator_tag：双向迭代器，继承自前向迭代器

  • random_access_iterator_tag：随机访问迭代器, 继承自双向迭代器

定义了一个迭代器模板类 iterator，其中包含以下类型别名：

  • iterator_category：迭代器类型标签

  • value_type：所指对象类型

  • pointer：指针类型

  • reference：引用类型

  • difference_type：两个迭代器之间距离的类型，通常是 ptrdiff_t

定义了一个迭代器 traits 模板类 iterator_traits，它提供一些辅助函数来访问迭代器的属性，例如：

  • iterator_category：获取迭代器类型标签

  • value_type：获取所指对象类型

  • pointer：获取指针类型

  • reference：获取引用类型

  • difference_type：获取距离类型

定义了一些类型判断模板类：

  • has_iterator_cat：检查是否有迭代器类型标签

  • has_iterator_cat_of：检查迭代器类型标签是否匹配

  • is_input_iterator：检查是否为输入迭代器

  • is_output_iterator：检查是否为输出迭代器

  • is_forward_iterator：检查是否为前向迭代器

  • is_bidirectional_iterator：检查是否为双向迭代器

  • is_random_access_iterator：检查是否为随机访问迭代器

  • is_iterator：检查是否为迭代器（输入或输出）

定义了一些迭代器操作函数：

  • distance：计算两个迭代器之间的距离

  • advance：将迭代器前进指定步数

  • reverse_iterator：一个反向迭代器模板类，可以通过它来实现反向遍历

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