从list的模拟实现中了解迭代器的设计方式

reverie.Ly2024-06-08 17:09

欢迎来到博主的专栏：c++杂谈

博主ID：代码小豪

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迭代器------容器与算法的桥梁

如果你尝试使用过STL，那么一定对迭代器不感到陌生，迭代器作为STL六大组件之一，是连接算法与容器之间的桥梁，其重要性不言而喻。

相信大家在刚接触STL的时候都会对这个问题感到困惑，那就是为什么STL中的算法可以适用于不同的容器？

这其实是源自于学习C语言和c++的类与对象部分这一时期的惯性思维，那就是函数的参数和对象的类型一定要匹配，比如作用于某个类的函数，我们就要根据这个类的行为来设计函数。这就导致了STL中的某些算法看起来是不合理的，比如为什么find可以作用于vector，也能作用于list，这两个容器连数据结构都不一样，为什么能有同样的效果？

这件事情就好比，将数学上将数字和几何学结合起来一样难以理解。但是数学上还真有一个东西将数字和几何学结合起来了，那就是函数图像。我们可以尝试理清一下函数图像是如何将集合和数字结合在一起的。一个数字，一个集合，明明是八竿子打不着的关系，就像list和vector一样。其实原理也很简单，其实只需要有一个东西作为这两者之间的桥梁一样，这便是坐标系。有了坐标系，我们就能通过函数来分析几何（圆的函数），也能通过几何来分析函数（微积分）。

那么迭代器和容器和算法的关系也是如此，有了迭代器，我们就能让算法使用在不同的容器上。那么迭代器又是怎么做到的呢？别急，我们慢慢看

容器与迭代器

相信大家用迭代器遍历整个容器应该是再熟悉不过的操作了吧。我们尝试分别用list、vector的迭代器遍历各自的容器。

cpp 复制代码 
	void TestIterator()
	{
		vector<int> v1{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
		list<int> list1{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };

		vector<int>::iterator vi = v1.begin();//v1的迭代器
		list<int>::iterator li = list1.begin();//list1的迭代器

		while (vi != v1.end()){
			cout << *vi;//{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}
			vi++;//让迭代器访问下一个元素
		}

		while (li != list1.end()) {
			cout << *li;//{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10}
			li++;//让迭代器访问下一个元素
		}
	}

我们观察上面的代码，可以发现一个有意思的事情，那就是无论是list还是vector的迭代器，其都支持++，和*的操作。实际上，STL中的迭代器都会支持以下操作

操作符 执行操作
++ 让迭代器来到下一个元素
-- 让迭代器来到上一个元素
* 访问迭代器中的元素
-> 访问迭代器中的元素的成员

这就发现一个很有意思的现象了，那就是无论STL中各个容器的数据结构和成员有多么的不一样，我们都能用相同的方法访问到容器中的元素，那就是通过迭代器。

算法与迭代器

我们以find()为例，在c++标准中，find()函数的声明如下：

cpp 复制代码 
template <class InputIterator, class T>
   InputIterator find (InputIterator first, 
   InputIterator last,
    const T& val);

在调用find()函数时，我们需要传入同一容器中的两个迭代器，还有一个代表迭代器中的值。其中T是解引用迭代器得到的值的类型。其作用为：在[first,find)之间找到val这个元素，并返回val元素的迭代器，如果没有找到，就返回last

我们尝试使用一下这个函数：

cpp 复制代码 
	void TestFind()
	{
		vector<int> v1{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
		list<int> list1{ 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };

		vector<int>::iterator viter;//v1的迭代器
		list<int>::iterator liter;//liter的迭代器

		viter=find(v1.begin(), v1.end(), 4);
		liter=find(list1.begin(), list1.end(), 11);

		if (viter == v1.end())
			cout << "not find" << endl;
		else
			cout << "find " << *viter<<endl;

		if (liter == list1.end())
			cout << "not find" << endl;
		else
			cout << "find" << *liter<<endl;
	}

运行结果如下：在v1容器中找到了4，并且返回了4这个位置的迭代器，在list1中并没有找到11，于是返回了list1.end()，说明没有找到这个元素。

如果我没有学习过STL，我会感到非常好奇的点是：list和vector在底层上是两个截然不同的数据结构，list的链表，而vector是顺序表，链表的遍历方式是通过节点遍历，而顺序表的遍历方式则是通过下标遍历。链表对于元素访问的方式是读取节点的值，而顺序表对于元素访问的方式则是去下标。但是在上述的两个例子当中，各自的迭代器竟然用相同的方式就完成了这些任务。

这里博主尝试模拟实现一个find()，希望方便读者进行理解：

cpp 复制代码 
template <class InputIterator, class T>
InputIterator myfind(InputIterator first,
    InputIterator last,
    const T& val)
{
    while (first != last)
    {
        if (*first == val)
            return first;
        first++;
    }
    return last;
}

从这个模拟实现我们不难看出一个点，那就是STL中的算法不需要考虑容器的底层到底是什么数据结构，也不需要考虑这个数据结构遍历元素时需要用到什么算法，只需要用户能将容器的迭代器（无论是什么容器）传入函数中，通过对迭代器的一致操作（所有的迭代器都会的操作，比如*）进行操作即可。于是这个函数就变成了能用于各个容器的通用算法。

迭代器

我们讲了这么多有关于迭代器和容器，迭代器和算法之间的各个作用方式，但是想要了解迭代器，最好的方法还是从迭代器开始入手。博主在此之前曾写过list的模拟实现，但是这个博客有一点我很不满意，那就是关于list的迭代器被简单提到就一笔带过了，主要原因还是我想在list的模拟实现中展示更多的是容器的设计方式，而非迭代器。因此在完成那篇博客之后，我为list的迭代器写了这篇博客。

以list为例，我尝试为其设计一个迭代器。先来看看list中大概有什么内容。

cpp 复制代码 
template<class T>
	struct ListNode//结点
	{
		T _data;//数据
		ListNode* _next;//指向下一个节点的指针
		ListNode* _prev;//指向上一个节点的指针
	};

	template<class T>
	class list
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		Node* _head;//指向链表头结点
	};

既然想要设计list的迭代器，就要思考一个点，那就是list的迭代器解引用后得到的东西是什么？是list本身，还是list的数据（listnode）？显然是后者，那么list的迭代器的底层显然是指向listnode的指针

cpp 复制代码 
template<class T, class ref, class ptr>
	struct listiterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef listiterator self;
		
		Node* linkptr;
	};

接着就是为其设计哪些迭代器的通用操作，比如解引用操作(*)，成员访问(->)。自加和自减操作符，相等与不等操作符。

cpp 复制代码 
	template<class T, class ref, class ptr>
	struct listiterator
	{
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef listiterator self;
		listiterator(Node* listnode = nullptr)//默认构造
		{
			linkptr = listnode;
		}
		self operator++()//前置++；
		self operator++(int)；//后置++

		self operator--()；//前置--
		self operator--(int)；//后置++

		ref operator*()；

		ptr operator->()；

		bool operator!=(listiterator it)；

		bool operator==(listiterator it)；

		Node* linkptr;
	};

接着就是设计这些操作符的行为逻辑了。我们就拿最复杂的自加和自减操作符为例：

list的迭代器自加会来到下一个元素的位置，而list中下一个元素位置在哪呢？没错，就是下一个节点的位置。于是operator++应该是这样的：

cpp 复制代码 
self operator++()//前置++
{
	linkptr = linkptr->next;
	return linkptr;
}
		
self operator++(int)//后置++
{
	listiterator tmp = linkptr;
	linkptr = linkptr->next;
	return tmp;
}

自减操作也是同理，让节点来到上一个节点的位置。

cpp 复制代码 
self operator--()
{
	linkptr = linkptr->prev;
	return linkptr;
}

self operator--(int)
{
	listiterator tmp = linkptr;
	linkptr = linkptr->next;
	return tmp;
}

解引用和成员访问符的重载操作逻辑应该如下：解引用可以得到元素，也就是节点的值，而成员访问符由于还需要一个->才能访问元素的成员，于是只需要返回元素的指针即可

cpp 复制代码 
ref operator*()
{
	return linkptr->data;
}

ptr operator->()
{
	return &(linkptr->data);
}

于是list的迭代器整体实现如下：

cpp 复制代码 
template<class T, class ref, class ptr>
struct listiterator
{
	typedef ListNode<T> Node;
	typedef listiterator self;
	listiterator(Node* listnode = nullptr)
	{
		linkptr = listnode;
	}
	self operator++()//前置++
	{
		linkptr = linkptr->next;
		return linkptr;
	}

	self operator++(int)
	{
		listiterator tmp = linkptr;
		linkptr = linkptr->next;
		return tmp;
	}

	self operator--()
	{
		linkptr = linkptr->prev;
		return linkptr;
	}

	self operator--(int)
	{
		listiterator tmp = linkptr;
		linkptr = linkptr->next;
		return tmp;
	}

	ref operator*()
	{
		return linkptr->data;
	}

	ptr operator->()
	{
		return &(linkptr->data);
	}

	bool operator!=(listiterator it)
	{
		return linkptr != it.linkptr;
	}

	bool operator==(listiterator it)
	{
		return linkptr == it.linkptr;
	}

	Node* linkptr;
};

但是这还不够，因为我们可以发现迭代器是定义在类域中的，但是我们设计的迭代器似乎还在类外，而且还需要实例化才能用

没关系，只要简单的步骤就可以了

cpp 复制代码 
template<class T>
	class list
	{
	public:
		typedef ListNode<T> Node;
		typedef listiterator<T, T&, T*> iterator;
		typedef listiterator<T, const T&, const T*> const_iterator;
		
		Node* _head;//指向链表头结点
	};
}

在list类的内部为迭代器起一个别名即可，这样子list便有了可以用于算法的迭代器了。

总结

迭代器其实一个设计理念，不仅仅用用STL库，我们甚至还能在自定义类中用到迭代器，甚至还能将这些迭代器传到STL的算法中。

实际上迭代器是容器和算法之间的桥梁，如果没有迭代器，我们需要为每个容器设计底层不一样的算法，比如find算法，在list中就需要通过访问下一个节点来查找，而在vector中就需要通过访问下标来查找，非常麻烦。

而如果能设计出行为一致，底层不一致的迭代器，那么在设计算法时，就不需要考虑到容器之间的底层差异了。直接通过迭代器来操作，因为迭代器具有一致的行为(自加、自减等)，就可以让一个算法服务于多个容器。

本博客的具体代码上传至博主的代码仓库,仓库链接放在主页。

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