迭代器是什么，C++ STL迭代器（iterator）用法详解

什么是迭代器（iterator）？

无论是序列容器还是关联容器，最常做的操作无疑是遍历容器中存储的元素，而实现此操作，多数情况会选用“迭代器（iterator）”来实现。那么，迭代器到底是什么呢？

我们知道，尽管不同容器的内部结构各异，但它们本质上都是用来存储大量数据的，换句话说，都是一串能存储多个数据的存储单元。因此，诸如数据的排序、查找、求和等需要对数据进行遍历的操作方法应该是类似的。

既然类似，完全可以利用泛型技术，将它们设计成适用所有容器的通用算法，从而将容器和算法分离开。但实现此目的需要有一个类似中介的装置，它除了要具有对容器进行遍历读写数据的能力之外，还要能对外隐藏容器的内部差异，从而以统一的界面向算法传送数据。

这是泛型思维发展的必然结果，于是迭代器就产生了。简单来讲，迭代器和 C++ 的指针非常类似，它可以是需要的任意类型，通过迭代器可以指向容器中的某个元素，如果需要，还可以对该元素进行读/写操作。

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迭代器的类别

STL 标准库为每一种标准容器定义了一种迭代器类型，这意味着，不同容器的迭代器也不同，其功能强弱也有所不同。容器迭代器的功能强弱，决定了该容器是否支持 STL 中的某种算法。

常用迭代器按功能强弱分为：

• 输入迭代器
• 输出迭代器
• 前向迭代器
• 双向迭代器
• 随机访问迭代器

本节主要介绍后面 3 种迭代器。输入和输出迭代器比较特殊，它们操作的对象是输入/输出流，后续章节会详细介绍。

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1. 前向迭代器（forward iterator）

假设 p 是前向迭代器，则：

• 支持 ++p、p++、*p 操作；
• 可以被复制或赋值；
• 可以用 ==、!= 比较；
• 两个前向迭代器可以互相赋值。

2. 双向迭代器（bidirectional iterator）

双向迭代器具有前向迭代器的全部功能。除此之外，假设 p 是双向迭代器：

• 还可以进行 --p 或者 p-- 操作（即一次向后移动一个位置）。

3. 随机访问迭代器（random access iterator）

随机访问迭代器具有双向迭代器的全部功能。除此之外，假设 p 是随机访问迭代器，i 是整型变量或常量，还支持：

• p += i：使 p 往后移动 i 个元素。
• p -= i：使 p 往前移动 i 个元素。
• p + i：返回 p 后面第 i 个元素的迭代器。
• p - i：返回 p 前面第 i 个元素的迭代器。
• p[i]：返回 p 后面第 i 个元素的引用。
• 两个随机访问迭代器 p1、p2 还可以用 <、>、<=、>= 运算符比较。
• 表达式 p2 - p1 有定义，其返回值表示元素序号差（也可看作两迭代器间元素个数减一）。

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表 1：不同容器对应的迭代器（C++11 标准）

容器	对应的迭代器类型
array、vector、deque	随机访问迭代器
list、set/multiset、map/multimap	双向迭代器
forward_list、unordered_map/unordered_multimap、unordered_set/unordered_multiset	前向迭代器
stack、queue	不支持迭代器

注意：容器适配器 stack 和 queue 没有迭代器，它们通过成员函数访问元素。

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表 2：迭代器的 4 种定义方式

迭代器定义方式	具体格式
正向迭代器	容器类名::iterator 迭代器名;
常量正向迭代器	容器类名::const_iterator 迭代器名;
反向迭代器	容器类名::reverse_iterator 迭代器名;
常量反向迭代器	容器类名::const_reverse_iterator 迭代器名;

值得一提的是，表 2 中的反向迭代器全称为“反向迭代器适配器”，后续章节详细讲解，这里只需了解其用法即可。

• 常量迭代器与非常量迭代器区别在于：非常量迭代器能修改元素。

• 反向迭代器与正向迭代器区别在于：

  • 正向迭代器 ++ 时，迭代器指向后一个元素；
  • 反向迭代器 ++ 时，迭代器指向前一个元素。

注意，不是每个容器都同时适用以上 4 种定义方式。例如：

• array、deque、vector 支持全部定义方式；
• forward_list 只支持正向迭代器。

具体支持情况后续章节会详细说明，也可通过 STL 手册查询。

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迭代器使用示例

下面以 vector 容器为例，实际演示迭代器用法：

#include <iostream>
#include <vector>
using namespace std;

int main() {
    vector<int> v{1,2,3,4,5,6,7,8,9,10};

    cout << "第一种遍历方法：" << endl;
    for (int i = 0; i < v.size(); ++i)
        cout << v[i] << " ";

    cout << "\n第二种遍历方法：" << endl;
    vector<int>::iterator i;
    for (i = v.begin(); i != v.end(); ++i)
        cout << *i << " ";

    cout << "\n第三种遍历方法：" << endl;
    for (i = v.begin(); i < v.end(); ++i)
        cout << *i << " ";

    cout << "\n第四种遍历方法：" << endl;
    i = v.begin();
    while (i < v.end()) {
        cout << *i << " ";
        i += 2;
    }
}

运行结果：

第一种遍历方法：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
第二种遍历方法：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
第三种遍历方法：
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
第四种遍历方法：
1 3 5 7 9

再举一例，list 容器迭代器是双向迭代器：

• 合法：for(i = v.begin(); i != v.end(); ++i)
• 不合法：for(i = v.begin(); i < v.end(); ++i)（不能用 < 比较）
• 不合法：for(int i=0; i<v.size(); ++i)（不支持下标随机访问）

数组也是容器，迭代器就是指针，属于随机访问迭代器，例如数组 int a[10]，其迭代器就是指针 int*。

以上 vector、list 的详细用法，后续章节再详细讲解。