C++ STL与迭代器

Posted 2021-04-23 C和C加加

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1.前言

将容器类模板实例化时，会指明容器中存放的元素是什么类型的：可以存放基本类型的变量，也可以存放对象。

对象或基本类型的变量被插入容器中时，实际插入的是对象或变量的一个复制品。

STL 中的许多算法（即函数模板），如排序、查找等算法，在执行过程中会对容器中的元素进行比较。这些算法在比较元素是否相等时通常用运算符进行，比较大小通常用<运算符进行，因此，被放入容器的对象所属的类最好重载==和<运算符，以使得两个对象用==和<进行比较是有定义的。

顺序容器

顺序容器有以下三种：可变长动态数组 vector、双端队列 deque、双向链表 list。

它们之所以被称为顺序容器，是因为元素在容器中的位置同元素的值无关，即容器不是排序的。

关联容器

关联容器有以下四种：set、multiset、map、multimap。关联容器内的元素是排序的。插入元素时，容器会按一定的排序规则将元素放到适当的位置上，因此插入元素时不能指定位置。

默认情况下，关联容器中的元素是从小到大排序（或按关键字从小到大排序）的，而且用<运算符比较元素或关键字大小。因为是排好序的，所以关联容器在查找时具有非常好的性能。

栈/队列

除了以上两类容器外，STL 还在两类容器的基础上屏蔽一部分功能，突出或增加另一部分功能，实现了三种容器适配器：栈 stack、队列 queue、优先级队列 priority_queue。

2.概述

容器都是类模板。它们实例化后就成为容器类。用容器类定义的对象称为容器对象。

例如，vector<int>是一个容器类的名字，vector<int> a;就定义了一个容器对象 a，a 代表一个长度可变的数组，数组中的每个元素都是 int 类型的变量；

任何两个容器对象，只要它们的类型相同，就可以用 <、<=、>、>=、==、!= 进行词典式的比较运算。假设 a、b 是两个类型相同的容器对象，这些运算符的运算规则如下。

• a == b：若 a 和 b 中的元素个数相同，且对应元素均相等，则a == b的值为 true，否则值为 false。元素是否相等是用==运算符进行判断的。

• a<b：规则类似于词典中两个单词比较大小，从头到尾依次比较每个元素，如果发生 a 中的元素小于 b 中的元素的情况，则a<b的值为 true；如果没有发生 b 中的元素小于 a 中的元素的情况，且 a 中的元素个数比 b 少，a<b的值也为 true；其他情况下值为 false。元素比较大小是通过<运算符进行的。

• a > b：等价于 b < a。

所有容器都有以下两个成员函数：

• int size()：返回容器对象中元素的个数。

• bool empty()：判断容器对象是否为空。

顺序容器和关联容器还有以下成员函数：

• begin()：返回指向容器中第一个元素的迭代器。

• end()：返回指向容器中最后一个元素后面的位置的迭代器。

• rbegin()：返回指向容器中最后一个元素的反向迭代器。

• rend()：返回指向容器中第一个元素前面的位置的反向迭代器。

• erase(...)：从容器中删除一个或几个元素。该函数参数较复杂，此处省略。

• clear()：从容器中删除所有元素。

如果一个容器是空的，则 begin() 和 end() 的返回值相等，rbegin() 和 rend() 的返回值也相等。

顺序容器还有以下常用成员函数：

• front()：返回容器中第一个元素的引用。

• back()：返回容器中最后一个元素的引用。

• push_back()：在容器末尾增加新元素。

• pop_back()：删除容器末尾的元素。

• insert(...)：插入一个或多个元素。该函数参数较复杂，此处省略。

3.迭代器（iterator）

要访问顺序容器和关联容器中的元素，需要通过“迭代器（iterator）”进行。迭代器是一个变量，相当于容器和操纵容器的算法之间的中介。迭代器可以指向容器中的某个元素，通过迭代器就可以读写它指向的元素。从这一点上看，迭代器和指针类似

• 正向迭代器，定义方法如下：容器类名::iterator  迭代器名;

• 反向迭代器，定义方法如下：容器类名::reverse_iterator  迭代器名;

#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。

4.不同容器的迭代器的功能

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 所指向元素的序号之差（也可以说是 p2 和 p1 之间的元素个数减一）。

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 }}

5.迭代器的辅助函数

STL 中有用于操作迭代器的三个函数模板，它们是：

• 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。

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

6.STL中“大”、“小”和“相等”的概念

stl中关联容器内部的元素是排序的。STL 中的许多算法也涉及排序、查找。这些容器和算法都需要对元素进行比较。

默认情况下，比较大小是通过<运算符进行的，和>运算符无关。在STL中提到“大”、“小”的概念时，以下三个说法是等价的：

x 比 y 小。表达式x<y为真。y 比 x 大。

一定要注意，y比x大意味着x<y为真，而不是y>x为真。y>x的结果如何并不重要。

在 STL 中，x和y相等也往往不等价于x==y为真。对于在未排序的区间上进行的算法，如顺序查找算法 find，查找过程中比较两个元素是否相等用的是==运算符；但是对于在排好序的区间上进行查找、合并等操作的算法（如折半查找 binary_search，关联容器自身函数 find）来说，x和y相等是与x<y和y<x同时为假等价的，与==运算符无关。

看上去x<y和y<x同时为假就应该和x==y为真等价，其实不然。例如下面的 class A：

class A{ public:bool operator< (const A & a)const {return false;}};

可以看到，对任意两个类 A 的对象 x、y，x<y和y<x都是为假的。也就是说，对 STL 的关联容器和许多算法来说，任意两个类 A 的对象都是相等的，这与==运算符的行为无关。

综上所述，使用 STL 中的关联容器和许多算法时，往往需要对<运算符进行适当的重载，使得这些容器和算法可以用<运算符对所操作的元素进行比较。最好将<运算符重载为全局函数，因为在重载为成员函数时，在有些编译器上会出错（由其 STL 源代码的写法导致）。

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