三十分钟掌握迭代器.doc

三十分钟掌握STL
这是本小人书。原名是《using stl》，不知道是谁写的。不过我倒觉得很有趣，所以化了两个晚上把它翻译出来。我没有对翻译出来的内容校验过。如果你没法在三十分钟内觉得有所收获，那么赶紧扔了它。文中我省略了很多东西。心疼那，浪费我两个晚上。
译者：kary
contact:karymay@
STL概述
STL的一个重要特点是数据结构和算法的分离。尽管这是个简单的概念，但这种分离确实使得STL变得非常通用。例如，由于STL的sort()函数是完全通用的，你可以用它来操作几乎任何数据集合，包括链表，容器和数组。
要点
STL算法作为模板函数提供。为了和其他组件相区别，在本书中STL算法以后接一对圆括弧的方式表示，例如sort()。
STL另一个重要特性是它不是面向对象的。为了具有足够通用性，STL主要依赖于模板而不是封装，继承和虚函数（多态性）——OOP的三个要素。你在STL中找不到任何明显的类继承关系。这好像是一种倒退，但这正好是使得STL的组件具有广泛通用性的底层特征。另外，由于STL是基于模板，内联函数的使用使得生成的代码短小高效。
提示
确保在编译使用了STL的程序中至少要使用-O优化来保证内联扩展。STL提供了大量的模板类和函数，可以在OOP和常规编程中使用。所有的STL的大约50个算法都是完全通用的，而且不依赖于任何特定的数据类型。下面的小节说明了三个基本的STL组件：
1）           迭代器提供了访问容器中对象的方法。例如，可以使用一对迭代器指定list或vector中的一定范围的对象。迭代器就如同一个指针。事实上，C++的指针也是一种迭代器。但是，迭代器也可以是那些定义了operator*()以及其他类似于指针的操作符地方法的类对象。
2）           容器是一种数据结构，如list，vector，和deques ，以模板类的方法提供。为了访问容器中的数据，可以使用由容器类输出的迭代器。
3）           算法是用来操作容器中的数据的模板函数。例如，STL用sort()来对一个vector中的数据进行排序，用find()来搜索一个list中的对象。函数本身与他们操作的数据的结构和类型无关，因此他们可以在从简单数组到高度复杂容器的任何数据结构上使用。
头文件
为了避免和其他头文件冲突， STL的头文件不再使用常规的.h扩展。为了包含标准的string类，迭代器和算法，用下面的指示符：
#include
#include
#include
如果你查看STL的头文件，你可以看到象iterator.h和stl_iterator.h这样的头文件。由于这些名字在各种STL实现之间都可能不同，你应该避免使用这些名字来引用这些头文件。为了确保可移植性，使用相应的没有.h后缀的文件名。表1列出了最常使用的各种容器类的头文件。该表并不完整，对于其他头文件，我将在本章和后面的两章中介绍。
表 1. STL头文件和容器类
#include
Container Class

deque

list

map, multimap

queue, priority_queue

set, multiset

stack

vector, vector
名字空间
你的编译器可能不能识别名字空间。名字空间就好像一个信封，将标志符封装在另一个名字中。标志符只在名字空间中存在，因而避免了和其他标志符冲突。例如，可能有其他库和程序模块定义了sort()函数，为了避免和STL地sort()算法冲突，STL的sort()以及其他标志符都封装在名字空间std中。STL的sort()算法编译为std::sort()，从而避免了名字冲突。
尽管你的编译器可能没有实现名字空间，你仍然可以使用他们。为了使用STL，可以将下面的指示符插入到你的源代码文件中，典型地是在所有的#include指示符的后面：
using namespace std;
迭代器
迭代器提供对一个容器中的对象的访问方法，并且定义了容器中对象的范围。迭代器就如同一个指针。事实上，C++的指针也是一种迭代器。但是，迭代器不仅仅是指针，因此你不能认为他们一定具有地址值。例如，一个数组索引，也可以认为是一种迭代器。
迭代器有各种不同的创建方法。程序可能把迭代器作为一个变量创建。一个STL容器类可能为了使用一个特定类型的数据而创建一个迭代器。作为指针，必须能够使用*操作符类获取数据。你还可以使用其他数学操作符如++。典型的，++操作符用来递增迭代器，以访问容器中的下一个对象。如果迭代器到达了容器中的最后一个元素的后面，则迭代器变成past-the-end值。使用一个past-the-end值得指针来访问对象是非法的，就好像使用NULL或为初始化的指针一样。
提示
STL不保证可以从另一个迭代器来抵达一个迭代器。例如，当对一个集合中的对象排序时，如果你在不同的结构中指定了两个迭代器，第二个迭代器无法从第一个迭代器抵达，此时程序注定要失败。这是STL灵活性的一个代价。STL不保证检测毫无道理的错误。
迭代器的类型
对于STL数据结构和算法，你可以使用五种迭代器。下面简要说明了这五种类型：
·        Input iterators 提供对数据的只读访问。
·        Output iterators 提供对数据的只写访问
·        Forward iterators 提供读写操作，并能向前推进迭代器。
·        Bidirectional iterators提供读写操作，并能向前和向后操作。
·        Random access iterators提供读写操作，并能在数据中随机移动。
尽管各种不同的STL实现细节方面有所不同，还是可以将上面的迭代器想象为一种类继承关系。从这个意义上说，下面的迭代器继承自上面的迭代器。由于这种继承关系，你可以将一个Forward迭代器作为一个output或input迭代器使用。同样，如果一个算法要求是一个bidirectional 迭代器，那么只能使用该种类型和随机访问迭代器。
指针迭代器
正如下面的小程序显示的，一个指针也是一种迭代器。该程序同样显示了STL的一个主要特性——它不只是能够用于它自己的类类型，而且也能用于任何C或C++类型。Listing 1, iterdemo.cpp, 显示了如何把指针作为迭代器用于STL的find()算法来搜索普通的数组。
表 1. iterdemo.cpp
#include
#include

using namespace std;

#define SIZE 100
int iarray[SIZE];

int main()
{
iarray[20] = 50
int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);
if (ip == iarray + SIZE)
cout << "50 not found in array" << endl;
else
cout << *ip << " found in array" << endl;
return 0;
}
在引用了I/O流库和STL算法头文件（注意没有.h后缀），该程序告诉编译器使用std名字空间。使用std名字空间的这行是可选的，因为可以删除该行对于这么一个小程序来说不会导致名字冲突。
程序中定义了尺寸为SIZE的全局数组。由于是全局变量，所以运行时数组自动初始化为零。下面的语句将在索引20位置处地元素设置为50,并使用find()算法来搜索值50:
iarray[20] = 50;
int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);
find()函数接受三个参数。头两个定义了搜索的范围。由于C和C++数组等同于指针，表达式iarray指向数组的第一个元素。而第二个参数iarray + SIZE等同于past-the-end 值，也就是数组中最后一个元素的后面位置。第三个参数是待定位的值，也就是50。find()函数返回和前两个参数相同类型的迭代器，这儿是一个指向整数的指针ip。
提示
必须记住STL使用模板。因此，STL函数自动根据它们使用的数据类型来构造。
为了判断find()是否成功，例子中测试ip和 past-the-end 值是否相等：
if (ip == iarray + SIZE) ...
如果表达式为真，则表示在搜索的范围内没有指定的值。否则就是指向一个合法对象的指针，这时可以用下面的语句显示：:
cout << *ip << " found in array" << endl;
测试函数返回值和NULL是否相等是不正确的。不要象下面这样使用：
int* ip = find(iarray, iarray + SIZE, 50);
if (ip != NULL) ... // ??? incorrect
当使用STL函数时，只能测试ip是否和past-the-end 值是否相等。尽管在本例中ip是一个C++指针,其用法也必须符合STL迭代器的规则。
容器迭代器
尽管C++指针也是迭代器，但用的更多的是容器迭代器。容器迭代器用法和iterdemo.cpp一样，但和将迭代器申明为指针变量不同的是，你可以使用容器类方法来获取迭代器对象。两个典型的容器类方法是begin()和end()。它们在大多数容器中表示整个容器范围。其他一些容器还使用rbegin()和rend()方法提供反向迭代器，以按反向顺序指定对象范围。
下面的程序创建了一个矢量容器（STL的和数组等价的对象），并使用迭代器在其中搜索。该程序和前一章中的程序相同。
Listing 2. vectdemo.cpp
#include
#include
#include

using namespace std;

vector intVector(100);

void main()
{
intVector[20] = 50;
vector::iterator intIter =
find(intVector.begin(), intVector.end(), 50);
if (intIter != intVector.end())
cout << "Vector contains value " << *intIter << endl;
else
cout << "Vector does not contain 50" << endl;
}

注意用下面的方法显示搜索到的数据：
cout << "Vector contains value " << *intIter << endl;
常量迭代器
和指针一样，你可以给一个迭代器赋值。例如，首先申明一个迭代器：
vector::iterator first;
该语句创建了一个vector类的迭代器。下面的语句将该迭代器设置到intVector的第一个对象，并将它指向的对象值设置为123：:
first = intVector.begin();
*first = 123;
这种赋值对于大多数容器类都是允许的，除了只读变量。为了防止错误赋值，可以申明迭代器为：
const vector::iterator result;
result = find(intVector.begin(), intVector.end(), value);
if (result != intVector.end())
*result = 123; // ???
警告
另一种防止数据被改变得方法是将容器申明为const类型。
『呀！在VC中测试出错,正确的含义是result成为常量而不是它指向的对象不允许改变，如同int *const p;看来这作者自己也不懂』
使用迭代器编程
你已经见到了迭代器的一些例子，现在我们将关注每种特定的迭代器如何使用。由于使用迭代器需要关于STL容器类和算法的知识，在阅读了后面的两章后你可能需要重新复习一下本章内容。
输入迭代器
输入迭代器是最普通的类型。输入迭代器至少能够使用==和!=测试是否相等；使用*来访问数据；使用++操作来递推迭代器到下一个元素或到达past-the-end 值。
为了理解迭代器和STL函数是如何使用它们的，现在来看一下find()模板函数的定义：
template
InputIterator find(
InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {
while (first != last && *first != value) ++first;
return first;
}
注意
在find()算法中，注意如果first和last指向不同的容器，该算法可能陷入死循环。
输出迭代器
输出迭代器缺省只写，通常用于将数据从一个位置拷贝到另一个位置。由于输出迭代器无法读取对象，因此你不会在任何搜索和其他算法中使用它。要想读取一个拷贝的值，必须使用另一个输入迭代器（或它的继承迭代器）。
Listing 3. outiter.cpp
#include
#include // Need copy()
#include // Need vector

using namespace std;

double darray[10] =
{1.0, 1.1, 1.2, 1.3, 1.4, 1.5, 1.6, 1.7, 1.8, 1.9};

vector vdouble(10);

int main()
{
vector::iterator outputIterator = vdouble.begin();
copy(darray, darray + 10, outputIterator);
while (outputIterator != vdouble.end()) {
cout << *outputIterator << endl;
outputIterator++;
}
return 0;
}
注意
当使用copy()算法的时候，你必须确保目标容器有足够大的空间，或者容器本身是自动扩展的。
前推迭代器
前推迭代器能够读写数据值，并能够向前推进到下一个值。但是没法递减。replace()算法显示了前推迭代器的使用方法。
template
void replace (ForwardIterator first,
ForwardIterator last,
const T& old_value,
const T& new_value);
使用replace()将[first,last]范围内的所有值为old_value的对象替换为new_value。:
replace(vdouble.begin(), vdouble.end(), 1.5, 3.14159);
双向迭代器
双向迭代器要求能够增减。如reverse()算法要求两个双向迭代器作为参数:
template
void reverse (BidirectionalIterator first,
BidirectionalIterator last);
使用reverse()函数来对容器进行逆向排序:
reverse(vdouble.begin(), vdouble.end());
随机访问迭代器
随机访问迭代器能够以任意顺序访问数据，并能用于读写数据（不是const的C++指针也是随机访问迭代器）。STL的排序和搜索函数使用随机访问迭代器。随机访问迭代器可以使用关系操作符作比较。
random_shuffle() 函数随机打乱原先的顺序。申明为：
template mAccessIterator>
void random_shuffle (RandomAccessIterator first,
RandomAccessIterator last);
使用方法：
random_shuffle(vdouble.begin(), vdouble.end());
迭代器技术
要学会使用迭代器和容器以及算法，需要学习下面的新技术。
流和迭代器
本书的很多例子程序使用I/O流语句来读写数据。例如：
int value;
cout << "Enter value: ";
cin >> value;
cout << "You entered " << value << endl;
对于迭代器，有另一种方法使用流和标准函数。理解的要点是将输入/输出流作为容器看待。因此，任何接受迭代器参数的算法都可以和流一起工作。
Listing 4. outstrm.cpp
#include
#include // Need random(), srandom()
#include // Need time()
#include // Need sort(), copy()
#include // Need vector

using namespace std;

void Display(vector& v, const char* s);

int main()
{
// Seed the random number generator
srandom( time(NULL) );

// Construct vector and fill with random integer values
vector collection(10);
for (int i = 0 i < 10; i++)
collection[i] = random() % 10000;;

// Display, sort, and redisplay
Display(collection, "Before sorting");
sort(collection.begin(), collection.end());
Display(collection, "After sorting");
return 0;
}

// Display label s and contents of integer vector v
void Display(vector& v, const char* s)
{
cout << endl << s << endl;
copy(v.begin(), v.end(),
ostream_iterator(cout, "\t"));
cout << endl;
}
函数Display()显示了如何使用一个输出流迭代器。下面的语句将容器中的值传输到cout输出流对象中:
copy(v.begin(), v.end(),
ostream_iterator(cout, "\t"));
第三个参数实例化了ostream_iterator类型，并将它作为copy()函数的输出目标迭代器对象。“\t”字符串是作为分隔符。运行结果：
$ g++ outstrm.cpp
$ ./a.out
Before sorting
677 722 686 238 964 397 251 118 11 312
After sorting
11 118 238 251 312 397 677 686 722 964
这是STL神奇的一面『确实神奇』。为定义输出流迭代器，STL提供了模板类ostream_iterator。这个类的构造函数有两个参数：一个ostream对象和一个string值。因此可以象下面一样简单地创建一个迭代器对象：
ostream_iterator(cout, "\n")
该迭代起可以和任何接受一个输出迭代器的函数一起使用。
插入迭代器
插入迭代器用于将值插入到容器中。它们也叫做适配器，因为它们将容器适配或转化为一个迭代器，并用于copy()这样的算法中。例如，一个程序定义了一个链表和一个矢量容器:
list dList;
vector dVector;
通过使用front_inserter迭代器对象，可以只用单个copy()语句就完成将矢量中的对象插入到链表前端的操作：
copy(dVector.begin(), dVector.end(), front_inserter(dList));
三种插入迭代器如下：
·        普通插入器 将对象插入到容器任何对象的前面。
·        Front inserters 将对象插入到数据集的前面——例如，链表表头。
·        Back inserters 将对象插入到集合的尾部——例如，矢量的尾部，导致矢量容器扩展。
使用插入迭代器可能导致容器中的其他对象移动位置，因而使得现存的迭代器非法。例如，将一个对象插入到矢量容器将导致其他值移动位置以腾出空间。一般来说，插入到象链表这样的结构中更为有效，因为它们不会导致其他对象移动。
Listing 5. insert.cpp
#include
#include
#include

using namespace std;

int iArray[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };

void Display(list& v, const char* s);

int main()
{
list iList;

// Copy iArray backwards into iList
copy(iArray, iArray + 5, front_inserter(iList));
Display(iList, "Before find and copy");

// Locate value 3 in iList
list::iterator p =
find(iList.begin(), iList.end(), 3);

// Copy first two iArray values to iList ahead of p
copy(iArray, iArray + 2, inserteriList, p));
Display(iList, "After find and copy");

return 0;
}

void Display(list& a, const char* s)
{
cout << s << endl;
copy(a.begin(), a.end(),
ostream_iterator(cout, " "));
cout << endl;
}
运行结果如下：
$ g++ insert.cpp
$ ./a.out
Before find and copy
5 4 3 2 1
After find and copy
5 4 1 2 3 2 1
可以将front_inserter替换为back_inserter试试。
如果用find()去查找在列表中不存在的值，例如99。由于这时将p设置为past-the-end 值。最后的copy()函数将iArray的值附加到链表的后部。
混合迭代器函数
在涉及到容器和算法的操作中，还有两个迭代器函数非常有用：
·        advance() 按指定的数目增减迭代器。
·        distance() 返回到达一个迭代器所需（递增）操作的数目。
例如：
list iList;
list::iterator p =
find(iList.begin(), iList.end(), 2);
cout << "before: p == " << *p << endl;
advance(p, 2); // same as p = p + 2;
cout << "after : p == " << *p << endl;

int k = 0;
distance(p, iList.end(), k);
cout << "k == " << k << endl;

advance()函数接受两个参数。第二个参数是向前推进的数目。对于前推迭代器，该值必须为正，而对于双向迭代器和随机访问迭代器，该值可以为负。
使用 distance()函数来返回到达另一个迭代器所需要的步骤。
注意
distance()函数是迭代的，也就是说，它递增第三个参数。因此，你必须初始化该参数。未初始化该参数几乎注定要失败。
函数和函数对象
STL中，函数被称为算法，也就是说它们和标准C库函数相比，它们更为通用。STL算法通过重载operator()函数实现为模板类或模板函数。这些类用于创建函数对象，对容器中的数据进行各种各样的操作。下面的几节解释如何使用函数和函数对象。
函数和断言
经常需要对容器中的数据进行用户自定义的操作。例如，你可能希望遍历一个容器中所有对象的STL算法能够回调自己的函数。例如
#include
#include // Need random(), srandom()
#include // Need time()
#include // Need vector
#include // Need for_each()

#define VSIZE 24 // Size of vector
vector v(VSIZE); // Vector object

// Function prototypes
void initialize(long &ri);
void show(const long &ri);
bool isMinus(const long &ri); // Predicate function

int main()
{
srandom( time(NULL) ); // Seed random generator

for_each(v.begin(), v.end(), initialize);//调用普通函数
cout << "Vector of signed long integers" << endl;
for_each(v.begin(), v.end(), show);
cout << endl;

// Use predicate function to count negative values
//
int count = 0;
vector::iterator p;
p = find_if(v.begin(), v.end(), isMinus);//调用断言函数
while (p != v.end()) {
count++;
p find_if(p + 1, v.end(), isMinus);
}
cout << "Number of values: " << VSIZE << endl;
cout << "Negative values : " << count << endl;

return 0;
}

// Set ri to a signed integer value
void initialize(long &ri)
{
ri = ( random() - (RAND_MAX / 2) );
// ri = random();
}

// Display value of ri
void show(const long &ri)
{
cout << ri << " ";
}

// Returns true if ri is less than 0
bool isMinus(const long &ri)
{
return (ri < 0);
}

所谓断言函数，就是返回bool值的函数。
函数对象
除了给STL算法传递一个回调函数，你还可能需要传递一个类对象以便执行更复杂的操作。这样的一个对象就叫做函数对象。实际上函数对象就是一个类，但它和回调函数一样可以被回调。例如，在函数对象每次被for_each()或find_if()函数调用时可以保留统计信息。函数对象是通过重载operator()()实现的。如果TanyClass定义了opeator()(),那么就可以这么使用：
TAnyClass object; // Construct object
object(); // Calls TAnyClass::operator()() function
for_each(v.begin(), v.end(), object);
STL定义了几个函数对象。由于它们是模板，所以能够用于任何类型，包括C/C++固有的数据类型，如long。有些函数对象从名字中就可以看出它的用途，如plus()和multiplies()。类似的greater()和less-equal()用于比较两个值。
注意
有些版本的ANSI C++定义了times()函数对象，而GNU C++把它命名为multiplies()。使用时必须包含头文件。
一个有用的函数对象的应用是accumulate() 算法。该函数计算容器中所有值的总和。记住这样的值不一定是简单的类型，通过重载operator+()，也可以是类对象。
Listing 8. accum.cpp
#include
#include ic> // Need accumulate()
#include // Need vector
#include // Need multiplies() (or times())

#define MAX 10
vector v(MAX); // Vector object

int main()
{
// Fill vector using conventional loop
//
for (int i = 0; i < MAX; i++)
v[i] = i + 1;

// Accumulate the sum of contained values
//
long sum =
accumulate(v.begin(), v.end(), 0);
cout << "Sum of values == " << sum << endl;

// Accumulate the product of contained values
//
long product =
accumulate(v.begin(), v.end(), 1, multiplies());//注意这行
cout << "Product of values == " << product << endl;

return 0;
}
编译输出如下：
$ g++ accum.cpp
$ ./a.out
Sum of values == 55
Product of values == 3628800
『注意使用了函数对象的accumulate()的用法。accumulate() 在内部将每个容器中的对象和第三个参数作为multiplies函数对象的参数,multiplies(1,v)计算乘积。VC中的这些模板的源代码如下：
// TEMPLATE FUNCTION accumulate
template inline
_Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V)
{for (; _F != _L; ++_F)
_V = _V + *_F;
return (_V); }
// TEMPLATE FUNCTION accumulate WITH BINOP
template inline
_Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V, _Bop _B)
{for (; _F != _L; ++_F)
_V = _B(_V, *_F);
return (_V); }
// TEMPLATE STRUCT binary_function
template
struct binary_function {
typedef _A1 first_argument_type;
typedef _A2 second_argument_type;
typedef _R result_type;
};
// TEMPLATE