迭代器的一些简单理解

迭代器的一些简单理解

码农世界 2024-05-23 前端 60 次浏览 0个评论

使用迭代器最方便的地方就是和算法库结合，对于实现只需要聚焦于算法，而不用过多考虑数据结构的实现。

举一个常见的的例子，std::copy_n 用作于范围元素的复制，适配于各个容器类型，并且演化出了 back_inserter/front_inserter/inserter 这类更上层的迭代器。

// std::vector 的复制
std::vector v1{2, 1, 3, 4};
std::vector v2(v1.size() / 2);                  // 初始化大小为 2
std::copy_n(v1.cbegin(), v1.size() / 2, v2.begin()); // 2 1
std::vector v3;                                             // 初始化大小为 0
std::copy_n(v1.cbegin(), v1.size() / 2, std::back_inserter(v3)); // 2 1
// std::list
std::list l1{12, 11, 13, 14};
std::list l2;
std::copy_n(l1.cbegin(), l1.size() / 2, std::back_inserter(l2)); // 12 11
// std::vector -> std::list
std::list l3;
std::copy_n(v1.cbegin(), v1.size() / 2, std::back_inserter(l3)); // 2 1
// std::list -> std::vector
std::vector v4;
std::copy_n(l1.cbegin(), l1.size() / 2, std::back_inserter(v4)); // 12 11

元素的复制可能不是简单的 memcpy，需要考虑深拷贝的情况，在一些其他的语言中，由于标准库的算法实现的不多，对这种统一接口的约束不强。

比如在 Go 中，几乎都是通过接口进行约束。由于 golang 里面只有类似 memcpy 的 copy，换一个 container/heap 的例子，通过定义了三个接口来实现。

type Interface interface {
	// Len is the number of elements in the collection.
	Len() int
	// Less reports whether the element with index i
	// must sort before the element with index j.
	//
	// If both Less(i, j) and Less(j, i) are false,
	// then the elements at index i and j are considered equal.
	// Sort may place equal elements in any order in the final result,
	// while Stable preserves the original input order of equal elements.
	//
	// Less must describe a transitive ordering:
	//  - if both Less(i, j) and Less(j, k) are true, then Less(i, k) must be true as well.
	//  - if both Less(i, j) and Less(j, k) are false, then Less(i, k) must be false as well.
	//
	// Note that floating-point comparison (the < operator on float32 or float64 values)
	// is not a transitive ordering when not-a-number (NaN) values are involved.
	// See Float64Slice.Less for a correct implementation for floating-point values.
	Less(i, j int) bool
	// Swap swaps the elements with indexes i and j.
	Swap(i, j int)
}

不讨论接口性能，heap 只针对其本身来说这个定义是够用的，足够简单只要实现了三个接口，那么就可以实现一个堆。

Go 的一个问题是在实现这类基础设施上，通用型做的还不够好，一些相同的语义没有抽取出来形成一个接口规范：比如一个简单的 Copy 操作必须通过手动 for 进行赋值。

设计

通过观察 std::copy 的实现(gcc12)来看看迭代器的设计

template 
struct __copy_move
{
    template 
    _GLIBCXX20_CONSTEXPR
    static _OI __copy_m(_II __first, _II __last, _OI __result)
    {
        for (; __first != __last; ++__result, (void)++__first)
            *__result = *__first;
        return __result;
    }
};

std::copy 的通用实现中，出现的运算符有

  • != 同语义还有 == < <= > >=

  • ++ 同语义还有 -- ++(int) -- --(int)有自增自减说明能够支持算术操作，该语义有 + -结合赋值重载函数再衍生出 += -=

  • * 同语义还有 ->

    对于可以随机访问的容器（vector/array）来说，还有 [] 运算符。

    迭代器设计为一个类，这样可以通过模版参数来区分不同的类型，见 std::vector 的迭代器 (__normal_iterator) 注释说明

    // This iterator adapter is @a normal in the sense that it does not
// change the semantics of any of the operators of its iterator
// parameter.  Its primary purpose is to convert an iterator that is
// not a class, e.g. a pointer, into an iterator that is a class.
// The _Container parameter exists solely so that different containers
// using this template can instantiate different types, even if the
// _Iterator parameter is the same.

    尽管使用起来和指针非常类似，但是都是这个类提供的重载运算符，所以并不能简单的说成是指针。

    对于要广泛使用的迭代器而言，统一其接口是一个很有必要的实现，对于 C++ 而言，**_trait* 是一种通用做法。

    在 trait 限定各种类型，包括值，指针，引用等。对于各种容器，内部定义好一个迭代器别名 iterator，这个迭代器需要符合 trait 的语义。

    class vector {
    typedef T value_type;     // 符合 trait 的别名
    typedef XXX xxx_iterator; // 支持的迭代器适配器，比如 reverse_iterator/iterator
    iterator begin() {}
    reverse_iterator rbegin() {}
};

    这样在一些模版类的地方直接使用这些类型别名:

    std::iterator_traits::iterator>::value_type x = 'x';
decltype(v1.begin())::value_type y = 'y';

    容器都支持迭代器，但是容器类型就有不相同的，std::vector 和 std::map 的最大区别就是连续性。故迭代器同样有类型。有了类型可以通过 SFINAE 来选择不同的实现。

    通过统一迭代器的语义，在 C++20 以前，对内部变量封装为 begin/end, 就可以通过 for (auto it = x.begin(); it != x.end; ++it) 来完成遍历的功能。对于算法实现，取值可以通过 *，迭代可以通过 ++/--，配合类似 std::less 提高算法实现的抽象程度了。

    实现

    iterator_traits 的通用实现如下，只定义了通用别名。

    template 
struct __iterator_traits<
    _Iterator, __void_t> {
    typedef typename _Iterator::iterator_category iterator_category;
    typedef typename _Iterator::value_type value_type;
    typedef typename _Iterator::difference_type difference_type;
    typedef typename _Iterator::pointer pointer;
    typedef typename _Iterator::reference reference;
};
template 
struct iterator_traits : public __iterator_traits<_Iterator> {};

    迭代器的类型在 C++20 之前有 5 种，通过一些高层次的封装来观察其设计

    • reverse_iterator 反转的迭代器适配器

    • back_insert_iterator 容器实现有 push_back 方法的迭代器适配器

    • front_insert_iterator 容器实现有 push_front 方法的迭代器适配器

    • insert_iterator 容器实现有 insert 方法的迭代器适配器

      reverse_iterator 顾名思义，对比一般的迭代器操作时反过来的

      __normal_iterator &operator++() {
    ++_M_current;
    return *this;
}
reverse_iterator &operator++() {
    --current;
    return *this;
}

      后面三个迭代器，观察 = 运算符重载函数的实现，通过调用容器成员函数来新增元素。

      back_insert_iterator &operator=(const typename _Container::value_type &__value)
{
    container->push_back(__value);
    return *this;
}
front_insert_iterator &operator=(const typename _Container::value_type &__value) {
    container->push_front(__value);
    return *this;
}
insert_iterator &operator=(const typename _Container::value_type &__value) {
    iter = container->insert(iter, __value);
    ++iter;
    return *this;
}

      在容器为空的情况下，可以调用这些辅助迭代器适配器。

      容器的迭代器

      每个容器都有自身实现的迭代器，不看 const_iterator 这类变种的迭代器，容器实现分别是

      • std::vector 的迭代器类型为 __gnu_cxx::__normal_iterator

      • std::list 的迭代器类型为 _List_iterator<_Tp>

      • std::map 的迭代器类型为 _Rb_tree_iterator

        std::vector

        __normal_iterator 是一个比较通用的迭代器实现，包含顺序容器（包括 char*），内部实现为对指针的操作。

        reference operator*() const noexcept { return *_M_current; }
__normal_iterator &operator++() noexcept {
    ++_M_current;
    return *this;
}
        std::list

        list 的特化迭代器实现，运算符可能涉及到链表的遍历动作

        reference operator*() const noexcept { return *static_cast<_Node *>(_M_node)->_M_valptr(); }
_Self &operator++() noexcept {
    _M_node = _M_node->_M_next;
    return *this;
}
        std::map 迭代器

        map 的特化迭代器实现，++ 运算符涉及到红黑树的遍历动作

        reference operator*() const noexcept {
    return *static_cast<_Link_type>(_M_node)->_M_valptr();
}
_Self &operator++() noexcept {
    _M_node = _Rb_tree_increment(_M_node);
    return *this;
}

        std::map 的迭代器类型展开为 _Rb_tree_iterator>，pair 的 first 类型为 const std::string

        对于 std::copy 来说，内部的赋值实现为

        *__result = *__first;

        等效于pair操作

        std::pair p1{"lebron", 6};
std::pair p2 = p1;
// 出现编译错误
/usr/include/c++/12/bits/stl_algobase.h:353:23: error: use of deleted function ‘std::pair, int>& std::pair, int>::operator=(const std::pair, int>&)’
  353 |             *__result = *__first;
      |             ~~~~~~~~~~^~~~~~~~~~
In file included from /usr/include/c++/12/bits/stl_algobase.h:64:
/usr/include/c++/12/bits/stl_pair.h:185:12: note: ‘std::pair, int>& std::pair, int>::operator=(const std::pair, int>&)’ is implicitly declared as deleted because ‘std::pair, int>’ declares a move constructor or move assignment operator

        那是因为 std::pair 只实现了两个复制函数，只支持 key/value 的可复制/移动进行限制，默认的复制赋值函数被删除

        __pair_base &operator=(const __pair_base &) = delete;
pair &operator=(
    __conditional_t<
        __and_, is_copy_assignable<_T2>>::value,
        const pair &, const __nonesuch &>
        __p) {
    first = __p.first;
    second = __p.second;
    return *this;
}
pair &operator=(
    __conditional_t<
        __and_, is_move_assignable<_T2>>::value,
        pair &&, __nonesuch &&>
        __p) noexcept(__and_,
                             is_nothrow_move_assignable<_T2>>::value) {
    first = std::forward(__p.first);
    second = std::forward(__p.second);
    return *this;
}

        要实现 std::map 的复制也很简单，只需要对迭代器使用 std::inserter 进行一下包装即可使用，在 inserter 内部调用 insert 来完成插入。

        std::map m1{{"lebron", 6}, {"tom", 2}};
std::map m2;
// 错误的，first 类型为 const，不可复制
// std::copy(m1.begin(), m1.end(), m2.begin());
// 正确操作
std::copy(m1.begin(), m1.end(), std::inserter(m2, m2.begin()));

        总结一下

        1. 在 range 之前，迭代器是 STL 中非常重要的一环，善用基于这些迭代器实现算法/辅助函数可以有效的压缩代码行数。

        2. 多种迭代器可供选择使用back_inserter 调用 push_back，尾部插入front_inserter 调用 push_front，首部插入inserter 调用 insert，关联容器的插入reverse_iterator 一般容器都实现了 rbegin/rend，实现反转功能

        3. 对于自定义容器，可以实现 iterator_trait 来增强通用性（代码也会增多，所谓软件工程没有银弹）

        文章转载自：小胖西瓜

        原文链接：https://www.cnblogs.com/shuqin/p/18208138

        体验地址：引迈 - JNPF快速开发平台_低代码开发平台_零代码开发平台_流程设计器_表单引擎_工作流引擎_软件架构

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