STL源码剖析之迭代器

迭代器是一种行为类似指针的对象。迭代器最重要的工作是operator*、operator ->、operator ++。

每一种STL容器都提供专属迭代器。

根据迭代器所支持的操作，可以把迭代器分为五类：

(1). 输入迭代器(input iterator)是只读迭代器，在每个被遍历到的位置上只能被读取一次。

(2). 输出迭代器(output iterator)是只写迭代器，在每个被遍历到的位置上只能被写入一次。

输入和输出迭代器的模型分别是建立在针对输入和输出流(例如文件)的读写操作的基础上的。所以不难理解，输入和输出迭代器最常见的表现形式是istream_iterator和ostream_iterator。

(3). 前向迭代器(forward iterator)兼具输入和输出迭代器的能力，但是它可以对同一个位置重复进行读和写。前向迭代器不支持operator--，所以它只能向前移动。所有的标准STL容器都支持比前向迭代器功能更强大的迭代器。

(4). 双向迭代器(bidirectional iterator)很像前向迭代器，只是它们向后移动和向前移动同样容易。标准关联容器都提供了双向迭代器。list也是如此。

(5). 随机访问迭代器(random access iterator)有双向迭代器的所有更能，而且，它还提供了”迭代器算术”，即在一步内向前或向后跳跃的能力。vector、string和deque都提供了随机访问迭代器。指向数组内部的指针对于数组来说也是随机访问迭代器。

 //输出迭代器例子ostream_iterator<int> outite(cout, " ");int ia[] = { 0,1,2,3,4,5 };deque<int> id(ia, ia + 6);copy(id.begin(), id.end(), outite);

2.1 迭代器相应类型概念、应用场景 & 偏特化概念
在实际的算法中，在运用迭代器时，会用到迭代器所指对象中的相应类型(associate type)。

那么算法实现中该如何满足声明一个以“迭代器所指对象(中)的类型”为类型的成员/参数，或返回值是“迭代器所指对象(中)的类型”的类型的需求呢？

可分为以下三种情况：

① 迭代器所指对象是c++内置类型；
② 迭代器所指对象是自定义类型(class type)情形;
③ 迭代器所指对象是原生指针(naive pointer)情形;
对应的运用以下三种方法解决：

① function template的参数推导(augument deducation)机制；
② 声明内嵌类型；
③ 利用泛化中偏特化(partial secification)(下面有解释) ；
envolve to ：萃取机 iterator_traits 机制
注意：这三种方法是逐步整合为最终的实现的方案就是 iterator_traits萃取机机制，它包含了函数模板的参数推导，声明内嵌类型和偏特化所有内容，也同时解决了以上的三个场景的实现需求。

偏特化(template partial specification)：如果class template拥有一个以上的template参数，可以对其中某个(或数个，但非全部)template进行特化工作，其中偏特化有两种形式：

1. 对template参数的部分个参数进行特化；
2. 对template参数的范围进行限定；
两种形式见下图所示：

偏特化其实就可以理解为“针对任何template参数进一步地进行条件限制所设计出的特化版本”。那么对应的，全特化(full specification) 就是指对模板参数不做任何限制。

如上，利用对(常量)指针类型的偏特化，解决了内嵌类型无法解决的迭代器所指对象是原生指针类型的问题。

最终设计出了迭代器萃取机这一中间层，其作用是萃取出迭代器的相关特性（也即是相应类型的取用），以屏蔽迭代器实现对算法实现的影响。如左下图所示

在图中列出了原生指针(pointer)，还单独列出了常量指针(pointer-to-const)（对于const关键字的解析见：const限定符）。对于常量指针，泛化版本的iterator::traits<const int*> value_type会返回一个const int，也即返回值是一个无法进行赋值的临时变量，所以针对常量指针的value_type类型应当特化为非常量类型，如下

template <class T>
struct iterator_traits<const T*> { //偏特化版本——当迭代器是一个pointer-to-const时typedef T value_type;          //萃取出的类型应当是T而非常量const T//...
};//附上指针的偏特化萃取实现
struct iterator_traits<T*> {typedef T value_type;//...
};

所以只要迭代器的实现者在实现过程中，将内嵌类型和原生类型遵循约定，以内嵌类型（nested typedef)的方式定义(typedef)出STL迭代器萃取机所规定的相关类型，就可以与STL标准实现兼容，实现算法实现和容器实现的剥离。

如右上图(iterator_traits对常用内嵌类型的typedef)所示，迭代器中最常用到的迭代器类型有五种，整理出如下表格：

迭代器相关类型   说明
value_type   所谓value type，指的是迭代器所指对象的类型。任何一个与STL有完美搭配的class，都应该定义value type内嵌类型
difference_type   difference type表示两个迭代器之间的距离，因此也可用来表示一个容器的最大容量（头尾距离），以alogrithm中的count()为例：

对于原生指针，c++内建了ptrdiff_t（位于<cstddef>头文件内）作为原生指针的difference type（在iterator_traits<(const) T*>中使用）；
当需要迭代器I的difference type，可以写typename iterator_traits<I>::difference_type，如上图中例；
reference   首先根据迭代器能否更改所指的对象，可以分为constant iterators和mutable iterators两种；
对应两种迭代器：
如果iterator是const的，那么若是其value_type是T，那么返回值应当是const T&;
如果iterator是mutable的，那么若是其value_type是T，那么返回值应当为T&；
pointer   指向迭代器所指之物/对象的类型的指针的类型;
iterator_category   对于迭代器种类，若是良好的利用好category的继承关系，可以极大地提高算法的效率，种类的具体解释和继承关系如下面图中所示。以advance()函数为例可以探讨category对算法的影响，详细内容见《STL源码剖析》p93，运用到了类的多态性，向上类型转换(派生类转基类，is-a继承关系)。

符合规范，任何迭代器都应提供五个内嵌相应类别，以利于traits萃取。STL为此提供了一个iterators class，也即std::iterator如下，如果每个新设计的迭代器继承自它，就可保证STL所需之规范：

distance 函数：

用来计算两个迭代器之间的距离。

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distance 函数：

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