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07 | 迭代器和好用的新for循环

你好，我是吴咏炜。

我们已经讲过了容器。在使用容器的过程中，你也应该对迭代器（iterator）或多或少有了些了解。今天，我们就来系统地讲一下迭代器。

什么是迭代器？

迭代器是一个很通用的概念，并不是一个特定的类型。它实际上是一组对类型的要求（[1]）。它的最基本要求就是从一个端点出发，下一步、下一步地到达另一个端点。按照一般的中文习惯，也许“遍历”是比“迭代”更好的用词。我们可以遍历一个字符串的字符，遍历一个文件的内容，遍历目录里的所有文件，等等。这些都可以用迭代器来表达。

我在用 output_container.h 输出容器内容的时候，实际上就对容器的 begin 和 end 成员函数返回的对象类型提出了要求。假设前者返回的类型是 I，后者返回的类型是 S，这些要求是：

• I 对象支持 * 操作，解引用取得容器内的某个对象。
• I 对象支持 ++，指向下一个对象。
• I 对象可以和 I 或 S 对象进行相等比较，判断是否遍历到了特定位置（在 S 的情况下是是否结束了遍历）。

注意在 C++17 之前，begin 和 end 返回的类型 I 和 S 必须是相同的。从 C++17 开始，I 和 S 可以是不同的类型。这带来了更大的灵活性和更多的优化可能性。

上面的类型 I，多多少少就是一个满足输入迭代器（input iterator）的类型了。不过，output_container.h 只使用了前置 ++，但输入迭代器要求前置和后置 ++ 都得到支持。

输入迭代器不要求对同一迭代器可以多次使用 * 运算符，也不要求可以保存迭代器来重新遍历对象，换句话说，只要求可以单次访问。如果取消这些限制、允许多次访问的话，那迭代器同时满足了前向迭代器（forward iterator）。

一个前向迭代器的类型，如果同时支持 --（前置及后置），回到前一个对象，那它就是个双向迭代器（bidirectional iterator）。也就是说，可以正向遍历，也可以反向遍历。

一个双向迭代器，如果额外支持在整数类型上的 +、-、+=、-=，跳跃式地移动迭代器；支持 []，数组式的下标访问；支持迭代器的大小比较（之前只要求相等比较）；那它就是个随机访问迭代器（random-access iterator）。

一个随机访问迭代器 i 和一个整数 n，在 *i 可解引用且 i + n 是合法迭代器的前提下，如果额外还满足 *(addressdof(*i) + n) 等价于 *(i + n)，即保证迭代器指向的对象在内存里是连续存放的，那它（在 C++20 里）就是个连续迭代器（contiguous iterator）。

以上这些迭代器只考虑了读取。如果一个类型像输入迭代器，但 *i 只能作为左值来写而不能读，那它就是个输出迭代器（output iterator）。

而比输入迭代器和输出迭代器更底层的概念，就是迭代器了。基本要求是：

• 对象可以被拷贝构造、拷贝赋值和析构。
• 对象支持 * 运算符。
• 对象支持前置 ++ 运算符。

迭代器类型的关系可从下图中全部看到：

迭代器通常是对象。但需要注意的是，指针可以满足上面所有的迭代器要求，因而也是迭代器。这应该并不让人惊讶，因为本来迭代器就是根据指针的特性，对其进行抽象的结果。事实上，vector 的迭代器，在很多实现里就直接是使用指针的。

常用迭代器

最常用的迭代器就是容器的 iterator 类型了。以我们学过的顺序容器为例，它们都定义了嵌套的 iterator 类型和 const_iterator 类型。一般而言，iterator 可写入，const_iterator 类型不可写入，但这些迭代器都被定义为输入迭代器或其派生类型：

• vector::iterator 和 array::iterator 可以满足到连续迭代器。
• deque::iterator 可以满足到随机访问迭代器（记得它的内存只有部分连续）。
• list::iterator 可以满足到双向迭代器（链表不能快速跳转）。
• forward_list::iterator 可以满足到前向迭代器（单向链表不能反向遍历）。

很常见的一个输出迭代器是 back_inserter 返回的类型 back_inserter_iterator 了；用它我们可以很方便地在容器的尾部进行插入操作。另外一个常见的输出迭代器是 ostream_iterator，方便我们把容器内容“拷贝”到一个输出流。示例如下：

#include <algorithm>  // std::copy
#include <iterator>   // std::back_inserter
#include <vector>     // std::vector
using namespace std;

vector<int> v1{1, 2, 3, 4, 5};
vector<int> v2;
copy(v1.begin(), v1.end(),
     back_inserter(v2));

v2

{ 1, 2, 3, 4, 5 }

#include <iostream>  // std::cout
copy(v2.begin(), v2.end(),
     ostream_iterator<int>(cout, " "));

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使用输入行迭代器

下面我们来看一下一个我写的输入迭代器。它的功能本身很简单，就是把一个输入流（istream）的内容一行行读进来。配上 C++11 引入的基于范围的 for 循环的语法，我们可以把遍历输入流的代码以一种自然、非过程式的方式写出来，如下所示：

for (const string& line :
     istream_line_reader(is)) {
  // 示例循环体中仅进行简单输出
  cout << line << endl;
}

我们可以对比一下以传统的方式写的 C++ 代码，其中需要照顾不少细节：

string line;
for (;;) {
  getline(is, line);
  if (!is) {
    break;
  }
  cout << line << endl;
}

从 is 读入输入行的逻辑，在前面的代码里一个语句就全部搞定了，在这儿用了 5 个语句……

我们后面会分析一下这个输入迭代器。在此之前，我先解说一下基于范围的 for 循环这个语法。虽然这可以说是个语法糖，但它对提高代码的可读性真的非常重要。如果不用这个语法糖的话，简洁性上的优势就小多了。我们直接把这个循环改写成等价的普通 for 循环的样子。

{
  auto&& r = istream_line_reader(is);
  auto it = r.begin();
  auto end = r.end();
  for (; it != end; ++it) {
    const string& line = *it;
    cout << line << endl;
  }
}

可以看到，它做的事情也不复杂，就是：

• 获取冒号后边的范围表达式的结果，并隐式产生一个引用，在整个循环期间都有效。注意根据生命期延长规则，表达式结果如果是临时对象的话，这个对象要在循环结束后才被销毁。
• 自动生成遍历这个范围的迭代器。
• 循环内自动生成根据冒号左边的声明和 *it 来进行初始化的语句。
• 下面就是完全正常的循环体。

生成迭代器这一步有可能是——但不一定是——调用 r 的 begin 和 end 成员函数。具体规则是：

• 对于 C 数组（必须是没有退化为指针的情况），编译器会自动生成指向数组头尾的指针（相当于自动应用可用于数组的 std::begin 和 std::end 函数）。
• 对于有 begin 和 end 成员的对象，编译器会调用其 begin 和 end 成员函数（我们目前的情况）。
• 否则，编译器会尝试在 r 对象所在的名空间寻找可以用于 r 的 begin 和 end 函数，并调用 begin(r) 和 end(r)；找不到的话则失败报错。

定义输入行迭代器

下面我们看一下，要实现这个输入行迭代器，需要做些什么工作。

C++ 里有些固定的类型要求规范。对于一个迭代器，我们需要定义下面的类型：

class istream_line_reader {
public:
  class iterator {  // 实现 InputIterator
  public:
    typedef ptrdiff_t difference_type;
    typedef string value_type;
    typedef const value_type* pointer;
    typedef const value_type& reference;
    typedef input_iterator_tag
      iterator_category;
    …
  };
  …
};

仿照一般的容器，我们把迭代器定义为 istream_line_reader 的嵌套类。它里面的这五个类型是必须定义的（其他泛型 C++ 代码可能会用到这五个类型；之前标准库定义了一个可以继承的类模板 std::iterator 来产生这些类型定义，但这个类目前已经被废弃 [2]）。其中：

• difference_type 是代表迭代器之间距离的类型，定义为 ptrdiff_t 只是种标准做法（指针间差值的类型），对这个类型没什么特别作用。
• value_type 是迭代器指向的对象的值类型，我们使用 string，表示迭代器指向的是字符串。
• pointer 是迭代器指向的对象的指针类型，这儿就平淡无奇地定义为 value_type 的常指针了（我们可不希望别人来更改指针指向的内容）。
• 类似的，reference 是 value_type 的常引用。
• iterator_category 被定义为 input_iterator_tag，标识这个迭代器的类型是 input iterator（输入迭代器）。

作为一个真的只能读一次的输入迭代器，有个特殊的麻烦（前向迭代器或其衍生类型没有）：到底应该让 * 负责读取还是 ++ 负责读取。我们这儿采用常见、也较为简单的做法，让 ++ 负责读取，* 负责返回读取的内容（这个做法会有些副作用，但按我们目前的用法则没有问题）。这样的话，这个 iterator 类需要有一个数据成员指向输入流，一个数据成员来存放读取的结果。根据这个思路，我们定义这个类的基本成员函数和数据成员：

class istream_line_reader {
public:
  class iterator {
    …
    iterator() noexcept
      : stream_(nullptr) {}
    explicit iterator(istream& is)
      : stream_(&is)
    {
      ++*this;
    }

    reference operator*() const noexcept
    {
      return line_;
    }
    pointer operator->() const noexcept
    {
      return &line_;
    }
    iterator& operator++()
    {
      getline(*stream_, line_);
      if (!*stream_) {
        stream_ = nullptr;
      }
      return *this;
    }
    iterator operator++(int)
    {
      iterator temp(*this);
      ++*this;
      return temp;
    }

  private:
    istream* stream_;
    string line_;
  };
  …
};

我们定义了默认构造函数，将 stream_ 清空；相应的，在带参数的构造函数里，我们根据传入的输入流来设置 stream_。我们也定义了 * 和 -> 运算符来取得迭代器指向的文本行的引用和指针，并用 ++ 来读取输入流的内容（后置 ++ 则以惯常方式使用前置 ++ 和拷贝构造来实现）。唯一“特别”点的地方，是我们在构造函数里调用了 ++，确保在构造后调用 * 运算符时可以读取内容，符合日常先使用 *、再使用 ++ 的习惯。一旦文件读取到尾部（或出错），则 stream_ 被清空，回到默认构造的情况。

对于迭代器之间的比较，我们则主要考虑文件有没有读到尾部的情况，简单定义为：

    bool operator==(const iterator& rhs)
      const noexcept
    {
      return stream_ == rhs.stream_;
    }
    bool operator!=(const iterator& rhs)
      const noexcept
    {
      return !operator==(rhs);
    }

有了这个 iterator 的定义后，istream_line_reader 的定义就简单得很了：

class istream_line_reader {
public:
  class iterator {…};
  istream_line_reader() noexcept
    : stream_(nullptr) {}
  explicit istream_line_reader(
    istream& is) noexcept
    : stream_(&is) {}
  iterator begin()
  {
    return iterator(*stream_);
  }
  iterator end() const noexcept
  {
    return iterator();
  }

private:
  istream* stream_;
};

也就是说，构造函数只是简单地把输入流的指针赋给 stream_ 成员变量。begin 成员函数则负责构造一个真正有意义的迭代器；end 成员函数则只是返回一个默认构造的迭代器而已。

以上就是一个完整的基于输入流的行迭代器了。这个行输入模板的设计动机和性能测试结果可参见参考资料 [3] 和 [4]；完整的工程可用代码，请参见参考资料 [5]。该项目中还提供了利用 C 文件接口的 file_line_reader 和基于内存映射文件的 mmap_line_reader。

内容小结

今天我们介绍了所有的迭代器类型，并介绍了基于范围的 for 循环。随后，我们介绍了一个实际的输入迭代器工具，并用它来简化从输入流中读入文本行这一常见操作。最后，我们展示了这个输入迭代器的定义。

课后思考

请思考一下：

1. 目前这个输入行迭代器的行为，在什么情况下可能导致意料之外的后果？
2. 请尝试一下改进这个输入行迭代器，看看能不能消除这种意外。如果可以，该怎么做？如果不可以，为什么？

欢迎留言和我交流你的看法。

参考资料

1

1a

2

3

4

5