C 迭代器iterator的实现原理

在经典的设计模式中，有一种迭代器模式，定义为：提供一个对象来顺序访问聚合对象中的一系列数据，而不暴露聚合对象的内部表示。

迭代器的主要优点如下：

访问一个聚合对象的内容而无须暴露它的内部表示。
遍历任务交由迭代器完成，这简化了聚合类。
它支持以不同方式遍历一个聚合，甚至可以自定义迭代器的子类以支持新的遍历。
增加新的聚合类和迭代器类都很方便，无须修改原有代码。
封装性良好，为遍历不同的聚合结构提供一个统一的接口。

使用过STL的童鞋就知道，迭代器是STL使用最多的技术；那么迭代器具体是怎么实现的呢？本文来讨论一下迭代器的原理和相关实现。

1. list类

首先，我们简单的模拟一个单项链表，这个链表可以往表头插入数据，并且返回表头。

1.1 ListItem

首先，我们需要一个ListItem表示每个链表节点，这个声明如下：

namespace BH
{template<typename T>class ListItem;template<typename T>std::ostream& operator<<(std::ostream& out, ListItem& d);template<typename T>class ListItem{public:ListItem(const T& t) : Data(t), Next(nullptr) {}ListItem(T&& t) : Data(std::forward(t)), Next(nullptr) {}template<typename... Types>ListItem(Types&&... args) : Data(std::forward(args)...), Next(nullptr) {}void setnext(ListItem* n){Next = n;}ListItem* next(){return Next;}friend std::ostream& operator<< (std::ostream& out, ListItem& d);private:ListItem* Next;T* Data;};template<typename T>std::ostream& operator<<(std::ostream& out, ListItem& d){out << d.Data;return out;}
}

首先这里构造函数：

支持普通构造。
支持移动函数。
支持参数完美转发。
友元operator<<，支持数据输出。

对于移动函数可以参考：nktype="2" hasload="1" style="margin: 0px; padding: 0px; color: rgb(87, 107, 149); text-decoration-line: none; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0); cursor: pointer; max-width: 100%; box-sizing: border-box !important; overflow-wrap: break-word !important;">C 移动函数原理浅析。

1.2 list类

这个类实现一个链表，支持简单的插入，并且返回头部节点。

namespace BH
{template<typename T>class list{public:list() noexcept : Head(nullptr) {}void push(const T& t){ListItem* Data = new ListItem(t);Data->setnext(Head);Head = Data;}void push(T&& t){ListItem* Data = new ListItem(t);Data->setnext(Head);Head = Data;}template<typename... Types>void emplace(Types&&... args){ListItem* Data = new ListItem(std::forward(args)...);Data->setnext(Head);Head = Data;}ListItem* front(){return Head;}private:ListItem* Head;};
}

如上，为了演示，这个类实现的很简单，只支持push，和front两个操作。

2. iterator

使用过STL都知道，iterator主要是用来遍历容器中的数据节点，那么上面这个list，我们的主要功能是能够不用在外部知道list的实现原理，使用iterator来遍历数据。

所以iterator的主要功能有：

支持，遍历元素。
支持*，取元素程序。
支持->，指针操作。
支持==和!=操作，比较iterator是否到了结尾。

所以这个实现可以如下：

namespace BH
{template <typename T>class ListIter{public:using value_type = T;using reference = T & ;using const_referenct = const T&;using pointer = T * ;using const_pointor = const T*;using size_type = size_t;using difference_type = ptrdiff_t;ListIter(pointer p = nullptr) : Iter(p) {}bool operator==(const ListIter& rhs) const noexcept{return Iter == rhs.Iter;}bool operator!=(const ListIter& rhs) const noexcept{return Iter != rhs.Iter;}ListIter& operator  (){Iter = Iter->next();return *this;}ListIter& operator  (int){value_type tmp = *this;&*this;return tmp;}reference operator*(){return *Iter;}pointer operator->(){return Iter;}private:pointer Iter;};
}

3. 使用

接下来，我们看一下这个iterator如何使用：

int main(int args, char* argv[])
{BH::list<std::string> l;l.push(std::string("hello"));l.push("world");l.push("abcd");l.push("efg");l.push("kmm");BH::ListIter<BH::ListItem<std::string>> iter(l.front());BH::ListIter<BH::ListItem<std::string>> end;while (iter != end){std::cout << *iter << std::endl;iter;}return 0;
}