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STL笔记 ( 迭代器 )
STL笔记 ( 迭代器 )
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。
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。
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 <string>
#include <iterator>
#include <algorithm>
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。
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的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(iterator)是一种对象,它能够用来遍历标准模板库容器中的部分或全部元素,每个迭代器对象代表容器中的确定的地址。迭代器修改了常规指针的接口,所谓迭代器是一种概念上的抽象:那些行为上像迭代器的东西都可以叫做迭代器。然而迭代器有很多不同的能力,它可以把抽象容器和通用算法有机的统一起来。
迭代器提供一些基本操作符:*、++、==、!=、=。这些操作和C/C++“操作array元素”时的指针接口一致。不同之处在于,迭代器是个所谓的复杂的指针,具有遍历复杂数据结构的能力。其下层运行机制取决于其所遍历的数据结构。因此,每一种容器型别都必须提供自己的迭代器。事实上每一种容器都将其迭代器以嵌套的方式定义于内部。因此各种迭代器的接口相同,型号却不同。这直接导出了泛型程序设计的概念:所有操作行为都使用相同接口,虽然它们的型别不同。
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。
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。
一、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。下面的代码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。
#include <iostream>
#include <algorithm>
using namespace std;
#define SIZE 100
int iarray[SIZE]; // 全局变量定义时会自动初始化;
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;
}
/*
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:
1. 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。
2. 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。
二、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。容器迭代器用法和上面的例子一样,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。该程序和前一个中的程序相同。
#include <iostream.h>
#include <algorithm>
#include <vector>
using namespace std;
vector<int> intVector(100);
void main()
{
intVector[20] = 50;
vector<int>::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;
}
三、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<int>::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<int>::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。
一、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 <class InputIterator, class T>
InputIterator find(
InputIterator first, InputIterator last, const T& value) {
while (first != last && *first != value) ++first;
return first;
}
二、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)。
#include <iostream.h>
#include <algorithm> // Need copy()
#include <vector> // 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<double> vdouble(10);
int main()
{
vector<double>::iterator outputIterator = vdouble.begin();
copy(darray, darray + 10, outputIterator);
while (outputIterator != vdouble.end()) {
cout << *outputIterator << endl;
outputIterator++;
}
return 0;
}
三、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 <class ForwardIterator, class T>
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);
四、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 <class BidirectionalIterator>
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());
五、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 <class RandomAccessIterator>
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。
#include <iostream.h>
#include <stdlib.h> // Need random(), srandom()
#include <time.h> // Need time()
#include <algorithm> // Need sort(), copy()
#include <vector> // Need vector
using namespace std;
void Display(vector<int>& v, const char* s);
int main()
{
// Seed the random number generator
srandom( time(NULL) );
// Construct vector and fill with random integer values
vector<int> 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<int>& v, const char* s)
{
cout << endl << s << endl;
copy(v.begin(), v.end(),
ostream_iterator<int>(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<int>(cout, "\t"));
第三个参数实例化了ostream_iterator<int
>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<int>(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<double> dList;
vector<double> 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。
#include <iostream.h>
#include <algorithm>
#include <list>
using namespace std;
int iArray[5] = { 1, 2, 3, 4, 5 };
void Display(list<int>& v, const char* s);
int main()
{
list<int> 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<int>::iterator p =
find(iList.begin(), iList.end(), 3);
// Copy first two iArray values to iList ahead of p
copy(iArray, iArray + 2, inserter(iList, p));
Display(iList, "After find and copy");
return 0;
}
void Display(list<int>& a, const char* s)
{
cout << s << endl;
copy(a.begin(), a.end(),
ostream_iterator<int>(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<int> iList;
list<int>::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。
版权声明:本文为博主原创文章,未经博主允许不得转载。By PengCoX ( Pengc825@foxmail.com )
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