「STL详解」STL概述和迭代器

什么是STL标准模版库？

在我们学习 STL 之前首先了解什么是标准模版库（STL）。

STL（Standard Template Library），即标准模板库，是一个高效的C++程序库，包含了常用的基本数据结构和基本算法。为广大C++程序员们提供了一个可扩展的应用框架，高度体现了软件的可复用性。从逻辑层次来看，在STL中体现了泛型化程序设计的思想（generic programming）。在这种思想里，大部分基本算法被抽象，被泛化，独立于与之对应的数据结构，用于以相同或相近的方式处理各种不同情形。从实现层次看，整个STL是以一种类型参数化（type parameterized）的方式实现的：基于模板(template)。

STL的代码从广义上讲分为三类：algorithm（算法）、container（容器）和iterator（迭代器）。

STL六大组件

容器（Containers）：各种数据结构，如 Vector, List, Deque, Set, Map，用来存放数据，STL容器是一种Class Template,就体积而言，这一部分很像冰山载海面的比率。
算法（Algorithms）：各种常用算法如 Sort, Search, Copy, Erase，从实现的角度来看，STL算法是一种Function Templates。
迭代器（Iterators）：扮演容器与算法之间的胶合剂，是所谓的“泛型指针”，共有五种类型，以及其它衍生变化，从实现的角度来看，迭代器是一种将：Operators*,Operator->,Operator++,Operator–等相关操作予以重载的Class Template。所有STL容器都附带有自己专属的迭代器——是的，只有容器设计者才知道如何遍历自己的元素，原生指针（Native pointer）也是一种迭代器。
仿函数（Functors）：即函数对象，行为类似函数，可作为算法的某种策略（Policy）,从实现的角度来看，仿函数是一种重载了 Operator() 的 Class 或 Class Template。一般函数指针可视为狭义的仿函数。
配接器（适配器）（Adapters）：一种用来修饰容器（Containers）或仿函数（Functors）或迭代器（Iterators）接口的东西，例如：STL提供的 Queue 和 Stack，虽然看似容器，其实只能算是一种容器配接器，因为它们的底部完全借助 Deque，所有操作有底层的 Deque 供应。改变 Functor 接口者，称为 Function Adapter；改变 Container 接口者，称为Container Adapter；改变 Iterator 接口者，称为 Iterator Adapter。配接器的实现技术很难一言蔽之，必须逐一分析。
分配器（Allocators）：即空间配置器，负责空间配置与管理，从实现的角度来看，配置器是一个实现了动态空间配置、空间管理、空间释放的 Class Template。

迭代器（iterator）

迭代器基本概念

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。它提供了一种能够寻访容器元素的方法，能够将容器和算法粘合在一起。例如算法 find() 中使用了两个迭代器和一个搜索值：

// SGI <stl_algo.h>
template<class InputIterator, class T>
InputIterator find(InputIterator first, InputIterator end, const T& value) {
	while (first != end && *first != value)
		++first;
	return first;
}

只要给出不同的迭代器，find() 就能在不同容器中进行查找操作：

void findValue(vector<int>& ilist) {
	int value = 4;
	vector<int>::iterator iter = find(ilist.begin(), ilist.end(), value);
	if (iter == ilist.end())	cout << value << "not found" << endl;
	else						cout << value << "is found" << endl;
}

注意：end并不指向容器的任何元素，而是指向容器的最后元素的下一位置，称为超出末端迭代器。如果 vector 为空，则 begin 返回的迭代器和 end 返回的迭代器相同。一旦向上面这样定义和初始化，就相当于把该迭代器和容器进行了某种关联，就像把一个指针初始化为指向某一空间地址一样。

迭代器是一种 smart pointer

迭代器是一种类似于指针的对象，其最重要的编程工作就是 reference 和 member access，即对 operator* 和 operator-> 进行重载。

既然说迭代器是一种smart pointer，我们就来看看 auto_ptr 是怎么实现的。下面是 auto_ptr 的一种用法：

void func()
{
	auto_ptr<string> ps(new string("hello"));
	cout << *ps << endl;				// 输出：hello
	cout << ps.size() << endl;	// 输出：5
}

auto_ptr 可以不使用 delete 对内存手动释放，因为 auto_ptr 会自动释放内存。 auto_ptr 的源码在头文件 <memory> 中，下面是一份精简版代码，用来说明 auto_ptr 的行为和能力：

template<class T>
class auto_ptr {
public:
	explicit auto_ptr(T *p = 0) : pointee(p) { }
	template<class U>
	auto_ptr(auto_ptr<U>& rhs) : pointee(rhs.release()) { }
	~auto_ptr() { delete pointee; }
	
	template<class U>
	auto_ptr<T>& operator=(auto_ptr<U>& rhs) {
		if (this != rhs) reset(rhs.release());
		return *this;
	}
	T& operator*() const { return *pointee; }
	T* operator->() const { return pointee; }
	T* get() const { return pointee; }
	// ...
private:
	T *pointee;
};

根据 auto_ptr 的实现方法，我们可以设计一个 list 容器的迭代器。当我们 reference 这个迭代器时，应该返回一个 LIstItem 对象；当我们递增该迭代器时，它应该指向下一个 ListItem 对象。

template<class Item>		// Item 时链表的一个节点，可以是单向链表也可以是双向链表
struct ListIter
{
	Item* ptr;						// 与容器的 reference
	ListIter(Item* p = 0) : prt(p) { }
	
	Item& operator*() const { return *ptr; }
	Item* operator->() cosnt { return ptr; }
	
	ListIter& operator++() {		// ++ListIter
		ptr = ptr->next;
		return *this;
	}
	ListIter& operator++(int) {	// ListIter++
		ListIter tmp = *this;
		++*this;
		return tmp;
	}
	
	bool operator==(const ListIter& i) const
	{ return ptr == i.ptr; }
	bool operator!=(const ListIter& i) const
	{ return ptr != i.ptr; }
};

iterator class

为了保证迭代器能与其他 STL 组件顺利搭配，STL 提供了一个 iterator class，每个新设计的迭代器都继承自 iterator class。

template<class Category, class T, class Distance = ptrdiff_t, 
				 class Pointer = T*, class Reference = T&>
struct iterator {
	typedef Category	iterator_category;
	typedef T					value_type;
	typedef Distance	difference_type;
	typedef Pointer		pointer;
	typedef Reference	reference;
};

iterator class 不含任何成员，只有类型定义，所以继承时没有任何负担。后面三个参数有默认值，所以设计新的迭代器只需要提供两个参数。