STL源码分析-iterator（迭代器）

Posted 2021-01-08 blog-yejy

1. GOF 迭代器设计模式

前面一篇文章有写到stl_list的实现，也实现了一下相应的iterator，但是后面觉得，实现具体容器之前有必要介绍一下iterator（迭代器） 。那么迭代器是什么呢？

GOF的设计模式是这样定义的： 提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不需暴露该对象的内部表示。

大概意思是，例如一个聚合对象(list)，我们该如何来访问它的元素，而又不暴露内部结构；而且还要针对不同的需要，可能以不同的方式遍历这个list；那么即使，我们知道大概会有哪些遍历操作，那我们也不会希望list接口中充斥着各种不同遍历操作。一句话，就是如果把遍历和操作元素的各种方法都放到list中来实现，那么将会导致list类中结构变得混乱而且不稳定。

正好迭代器就是用来提供给外部访问聚合对象元素的一个结构。 那GOF设计模式，采用的实现方式是OOP（面向对象），类图关系如下：

具体的聚合对象有自己的继承关系，具体的iterator也有自己的继承关系，也就是通过继承多态来实现用户侧代码无需修改，就可以兼容不同的聚合对象。在GOF设计模式书中专门有一点提到：使用多态迭代器是有代价的。他们要求用一个Factory Method动态分配迭代器对象。因此仅当必须多态时才使用它们。

2. STL 迭代器

在C++ STL中，也是继承了GOF提出的迭代器基本需求，并且迭代器（iterator）扮演着重要角色，来将将容器和算法分开，彼此独立设计，最后再以胶着剂（iterator）将它们撮合在一起。

那么C++ STL实现iterator和GOF介绍的迭代器实现方法什么区别呢？ 那首先我们需要了解C++中的两个编程范式的概念，GP（泛型编程）和OOP（面向对象编程）。

在C++语言里面，我们可以以下方式来简单区分一下GP和OOP：

GP: 泛型编程，也被称为"静态多态"，多种数据类型在同一种算法或者结构上皆可操作，其效率与针对某特定数据类型而设计的算法或者结构相同， 具体数据类型在编译期确定，编译器承担更多，代码执行效率高。在STL中利用GP将methods和datas实现了分而治之。

OOP: 将methods和datas关联到一起 （通俗点就是方法和成员变量放到一个类中实现），通过继承的方式，利用虚函数表（virtual）实现运行时类型判定，也叫"动态多态", 由于运行过程中需根据类型去检索虚函数表，因此效率相对较低。

刚好，C++ STL库的整个实现采用的就是GP（Generic Programming），而不是OOP（Object Oriented Programming）。而GOF设计模式采用的 就是继承关系实现的，因此，相对来讲，C++ STL的实现效率会相对较高，而且也更有利于维护。

3. STL iterator分类和总结

迭代器类型基本关系：

STL 迭代器基本介绍：

1、输入迭代器：只读，一次传递

可为输入迭代器预定义实现只有istream_iterator和istreambuf_iterator，用于从一个输入流istream中读取。一个输入迭代器仅能对它所选择的每个元素进行一次解析，它们只能向前移动。一个专门的构造函数定义了超越末尾的值。总是，输入迭代器可以对读操作的结果进行解析（对每个值仅解析一次），然后向前移动。

2、输出迭代器：只写，一次传递

这是对输入迭代器的补充，不过是写操作而不是读操作。为输出迭代器的预定义实现只有ostream_iterator和ostreambuf_iterator，用于向一个输出流ostream写数据，还有一个一般较少使用的raw_storage_iterator。他们只能对每个写出的值进行一次解析，并且只能向前移动。对于输出迭代器来说，没有使用超越末尾的值来结束的概念。总之，输出迭代器可以对写操作的值进行解析（对每一个值仅解析一次），然后向前移动。

3、前向迭代器：多次读/写

前向迭代器包含了输入和输出迭代器两者的功能，加上还可以多次解析一个迭代器指定的位置，因此可以对一个值进行多次读/写。顾名思义，前向迭代器只能向前移动。没有为前向迭代器预定义迭代器。

4、双向迭代器：operator--

双向迭代器具有前向迭代器的全部功能。另外它还可以利用自减操作符operator--向后一次移动一个位置。由list容器中返回的迭代器都是双向的。

5、随机访问迭代器：类似于一个指针

随机访问迭代器具有双向迭代器的所有功能，再加上一个指针所有的功能（一个指针就是一个随机访问迭代器），除了没有一种“空（null）”迭代器和空指针对应。基本上可以这样说，一个随机访问迭代器就像一个指针那样可以进行任何操作，包括使用操作符operator[]进行索引，加某个数值到一个指针就可以向前或者向后移动若干个位置，或者使用比较运算符在迭代器之间进行比较。

可以参考一下之前list实现的iterator代码，iterator内部维护一个list节点指针，然后对++和--进行操作符重载时，其实是指针的前后移动，因此stl_list的迭代器类型为双向迭代器。

迭代器作为STL的一个重要组成部分，今天算是做了一个简单的总结，在后续分析STL其他内容的过程中也会经常遇到！

2018年9月25日23:44:02