迭代器介绍与使用（四十一）

1. 迭代器的基本概念

迭代器是什么？

迭代器可以看作是一种特殊的指针，用于访问容器中的元素。一个迭代器要么指向容器中的某个有效元素，要么指向"尾后位置"（one past the end），即容器最后一个元素之后的位置。尾后迭代器本身没有实际意义，仅用作循环终止的标记。
获取迭代器

大多数标准容器都提供两个成员函数：begin() 和 end()。
- begin() 返回指向容器中第一个元素的迭代器。
- end() 返回一个尾后迭代器，即指向容器最后一个元素之后的位置。
  如果容器为空，则这两个函数返回相同的迭代器。

例如，针对一个 vector：

cpp 复制代码

#include <vector>
#include <iostream>
using std::vector;
using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3, 4, 5};
    auto it_begin = v.begin(); // it_begin 指向第一个元素
    auto it_end   = v.end();   // it_end 是尾后迭代器
    // 输出第一个元素
    if (it_begin != it_end)
        cout << "First element: " << *it_begin << endl;
    return 0;
}

2. 迭代器的常用操作

标准库容器的迭代器通常支持以下几种基本运算符：

运算符	说明
`*iter`	解引用，返回迭代器 iter 所指元素的引用。
`iter->mem`	相当于 `(*iter).mem`，先解引用 iter，然后访问该元素的成员 mem。
`++iter`	令 iter 指向容器中的下一个元素。
`--iter`	令 iter 指向容器中的上一个元素。
`iter1 == iter2`	判断两个迭代器是否相等（例如，是否指向同一元素或同一容器的尾后位置）。
`iter1 != iter2`	判断两个迭代器是否不相等。

注意：

尝试解引用一个无效迭代器（例如尾后迭代器或未经初始化的迭代器）会导致未定义行为。

3. 迭代器的使用示例

3.1 访问和修改元素

假设我们有一个 string 对象，我们可以利用迭代器来修改其中的字符。以下示例将 string 中的第一个字符转换为大写：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <cctype> // 包含 toupper
using std::string;
using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    string s("some string");
    // 检查字符串是否为空（begin() 和 end() 相等时为空）
    if (s.begin() != s.end()) {
        auto it = s.begin();   // it 指向第一个字符
        *it = toupper(*it);      // 修改第一个字符为大写
    }
    cout << s << endl;  // 输出: "Some string"
    return 0;
}

3.2 使用迭代器遍历容器

利用范围 for 循环时，也可以直接用迭代器，但有时我们需要手动控制迭代器的移动。例如，下面的代码将 string 中第一个单词转换为大写（遍历直到遇到空白字符）：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <cctype>
using std::string;
using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    string s("some string");
    // 使用迭代器遍历字符串中的字符，直到遇到空白字符
    for (auto it = s.begin(); it != s.end() && !isspace(*it); ++it) {
        *it = toupper(*it);
    }
    cout << s << endl; // 输出: "SOME string"
    return 0;
}

3.3 结合箭头运算符访问成员

对于存放类对象的容器，迭代器可以用于访问对象的成员。箭头运算符 -> 可将解引用和成员访问合并为一，例如：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
using std::vector;
using std::string;
using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    vector<string> text = {"Line one", "Line two", ""};
    // 使用 const_iterator 遍历，直到遇到空字符串（段落分隔符）
    for (auto it = text.cbegin(); it != text.cend() && !it->empty(); ++it) {
        cout << *it << endl;
    }
    return 0;
}

这里，it->empty() 等价于 (*it).empty()，用于检查迭代器所指字符串是否为空。

4. 迭代器类型

每个标准库容器都定义了两种迭代器类型：

iterator：可读写，允许修改容器中元素。
const_iterator：只读，保证不能通过迭代器修改元素。

例如，对于 vector：

cpp 复制代码

vector<int> v = {1, 2, 3};
vector<int>::iterator it1 = v.begin();       // 可读写迭代器
vector<int>::const_iterator it2 = v.begin();   // 只读迭代器

如果 vector 对象本身是常量，则只能使用 const_iterator：

cpp 复制代码

const vector<int> cv = {1, 2, 3};
auto cit = cv.begin(); // 类型为 vector<int>::const_iterator

另外，C++11 还提供了 cbegin() 和 cend()，无论容器是否为常量，这两个函数都返回 const_iterator，适用于只需读操作的场景。

5. 迭代器失效

需要特别注意的是，当对 vector 进行插入、删除或其他可能改变其容量的操作时，原有迭代器可能会失效。失效的迭代器不再指向正确的元素，任何对其的访问都会导致未定义行为。因此，在使用迭代器的循环体中，不要修改容器的大小。

例如，下面的代码在使用范围 for 遍历时尝试调用 push_back，就会导致迭代器失效：

cpp 复制代码

#include <iostream>
#include <vector>
using std::vector;
using std::cout;
using std::endl;

int main() {
    vector<int> v = {1, 2, 3};
    // 错误示例：在范围 for 循环中修改容器大小
    for (auto &x : v) {
        cout << x << " ";
        v.push_back(x);  // 修改容器，可能使迭代器失效
    }
    cout << endl;
    return 0;
}

在编写涉及迭代器的循环时，必须确保循环过程中不改变容器的大小。

6. 总结

迭代器提供统一访问方式 ：

迭代器允许遍历所有标准容器和类似容器（例如 string）的元素，是一种比下标运算符更通用的访问方式。
获取迭代器 ：

通过容器的 begin() 和 end() 成员函数获取迭代器，begin() 指向第一个元素，end() 指向尾后位置。对于只读操作，建议使用 const_iterator 或 cbegin/cend。
迭代器运算 ：

使用 *iter 解引用迭代器以获取元素，++iter 令迭代器前进，iter->mem 可访问迭代器所指对象的成员。
遍历与修改 ：

使用范围 for 语句可以简洁地遍历容器，但若需修改元素，必须使用引用形式（如 for(auto &c : container)）。
迭代器失效问题 ：

在循环中不应修改容器大小，因为可能导致迭代器失效，从而引起未定义行为。

通过深入理解迭代器的基本概念与操作，你可以在各种容器中灵活、安全地访问和操作元素。迭代器不仅与指针类似，而且为泛型编程提供了统一接口，是现代 C++ 编程中不可或缺的工具。

参考资料

cppreference.com 关于 std::vector 和 std::string 的迭代器说明
各大 C++ 编码规范（如 Google C++ Style Guide）中对迭代器使用的建议

希望这篇博客能帮助你全面了解迭代器的概念和使用方法，从而在实际编程中高效、正确地访问和操作容器内的数据。