迭代器iterator和traits程式設計技法

迭代器定義：提供一種方法，使之能夠依序巡訪某個聚合物（容器）所含的各個元素，而無需暴露該聚合物的內部表述方式。

stl的中心思想在於：將資料容器和演算法分開，彼此獨立設計，然後再以一貼膠著劑撮合在一起。在stl中，迭代器就扮演著膠著劑的作用。迭代器是一種類似指標的物件，而指標的各種行為中最常見也是最重要的便是解引用和成員訪問，因此迭代器最要的程式設計工作就是對operator*和operator->進行過載。

認識迭代器之前我覺得有必要了解一下c++中兩個非常重要的程式設計正規化，即gp（泛型程式設計）和oop（物件導向程式設計）。

泛型程式設計：亦稱為"靜態多型"，多種資料型別在同一種演算法或者結構上皆可操作，其效率與針對某特定資料型別而設計的演算法或結構相同，具體資料型別在編譯期確定，編譯器承擔更多，**執行效率高。在stl中利用gp將methods和datas實現了分而治之。

物件導向程式設計：將methods和datas關聯到一起，也就是方法和成員變數放到乙個類中實現，通過繼承的方式，利用虛函式表（virtual）實現執行時型別判定，也叫"動態多型", 由於執行過程中需根據型別去檢索虛函式表，因此效率相對較低。

stl全部採用泛型程式設計，因此，相對來說stl的效率較高且易於維護。

在stl演算法中需要用到迭代器相應型別，即迭代器所指物件的型別。但c++只支援 sizeof() 並未支援 typeof() 。stl的解決方法之一是利用 function template 的引數推導機制，但 value type 必須用於函式的返回值時 function template 就束手無策。stl利用class類的宣告內嵌型別以及針對原生指標的偏特化方式，設計迭代器的萃取機萃取迭代器的特性，解決用於函式返回值的問題，value type 是迭代器的特性之一。下面是stl原始碼利用class類的宣告內嵌型別設計的萃取機，也是萃取機的泛化版本：

stl萃取器的泛化版本

template

struct

iterator_traits ;

因為原生指標不是class type，無法為它定義內嵌型別。stl利用c++偏特化的方式為泛化設計提供乙個特化版本，即將泛化版本中的某些template引數賦予明確的指定。下面是stl原始碼針對原生指標t*設計的特化版本萃取機，原始碼還設計了乙個const t*原生指標的特化版本，與t*型別這裡不再呈現原始碼：

//
針對t*型別的原生指標設計的特化版本
template
struct iterator_traits;

然後stl原始碼設計了乙個獲取迭代器 value type 的全域性函式，將迭代器作為引數，函式可返回迭代器的型別，具體源**如下：

templateinline typename iterator_traits
::value_type*value_type(
const iterator&)

原始碼還設計了獲取迭代器其他特性 iterator_categoty 和 distance_type 的全域性函式，和value_type類似，原始碼如下：

templateinline typename iterator_traits
::iterator_category
iterator_category(
const iterator&) 
template
inline typename iterator_traits
::difference_type*distance_type(
const iterator&)

這種萃取程式設計技法是stl迭代器實現最重要的方法，萃取機能夠萃取各種迭代器的特性。正是這種技法彌補了c++沒有typeof()功能的缺陷，讓迭代器能夠真正脫離於容器，應用於演算法中去。

stl原始碼中定義五個classes代表五種迭代器的型別，定義如下：

//
五種迭代器型別
struct
input_iterator_tag {};
struct
output_iterator_tag {};
struct forward_iterator_tag : public
input_iterator_tag {};
struct bidirectional_iterator_tag : public
forward_iterator_tag {};
struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag {};

這些classes只作為標記用，所以不需要任何成員。這五種迭代器型別的關係如下圖所示：

上圖能夠非常明確看出迭代器的分類和從屬關係，設計演算法時，如有可能，我們盡量針對上圖的某種迭代器提供乙個明確定義，並針對更強化的某種迭代器提供另一種定義，保證在不同情況下提供最大效率。在原始碼中 advance 演算法的實現非常能體現這一設計原則。函式入口和針對不同迭代器不同的定義的原始碼如下：

//
advance函式入口
templateinline 
void advance(inputiterator&i, distance n) 
//inputiterator型別定義
templateinline 
void __advance(inputiterator&i, distance n, input_iterator_tag) 
//bidirectionaliterator型別定義
templateinline 
void __advance(bidirectionaliterator&i, distance n, 
bidirectional_iterator_tag) 
//randomaccessiterator型別定義
templateinline 
void __advance(randomaccessiterator&i, distance n,
random_access_iterator_tag)

上面的原始碼分別對 inputiterator、bidirectionaliterator 和 randomaccessiterator 三種型別的迭代器設計了不同的 __advance 定義，根據第三引數的不同，使函式形成過載。第三引數只是宣告型別並未指定引數名稱，因為它純粹只是用來啟用過載機制，函式根本不使用該引數。從原始碼可以看出 advance 函式根據 iterator_category 獲取迭代器型別而過載不同的 __advance 函式，而函式的過載過程是發生在編譯期，所以函式的執行效率非常高。

行文至此，我認為已經將stl原始碼中迭代器和和萃取程式設計技巧的核心思想總結出來，具體的原始碼實現可以參考我github的實現：關於迭代器的原始碼在 stl_iterator.h 檔案中。

迭代器iterator和traits程式設計技法

容器vector和迭代器iterator 使用

c 迭代器iterator 和 vector

C 迭代器iterator和指標

迭代器iterator和traits程式設計技法

容器vector和迭代器iterator 使用

c 迭代器iterator 和 vector

C 迭代器iterator和指標

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