19-为何使用迭代器
16.4.1 为何使用迭代器
理解迭代器是理解STL的关键所在。模板使得算法独立于存储的数据类型，而迭代器使算法独立于使用的容器类型。因此，它们都是STL通用方法的重要组成部分。
为了解为何需要迭代器，我们来看如何为两种不同数据表示实现find函数，然后来看如何推广这种方法。首先看一个在double数组中搜索特定值的函数，可以这样编写该函数：
double * find_ar(double * ar, int n, const double & val)
{
for (int i = 0; i < n; i++)
if (ar[i] == val)
return &ar[i];
return 0; // or, in C++11, return nullptr;
}如果函数在数组中找到这样的值，则返回该值在数组中的地址，否则返回一个空指针。该函数使用下标来遍历数组。可以用模板将这种算法推广到包含= =运算符的、任意类型的数组。尽管如此，这种算法仍然与一种特定的数据结构（数组）关联在一起。
下面来看搜索另一种数据结构——链表的情况（第12章使用链表实现了Queue类）。链表由链接在一起的Node结构组成：
struct Node
{
double item;
Node * p_next;
};假设有一个指向链表第一个节点的指针，每个节点的p_next指针都指向下一个节点，链表最后一个节点的p_next指针被设置为0，则可以这样编写find_ll()函数：
Node* find_ll(Node * head, const double & val)
{
Node * start;
for (start = head; start!= 0; start = start->p_next)
if (start->item == val)
return start;
return 0;
}同样，也可以使用模板将这种算法推广到支持= =运算符的任何数据类型的链表。然而，这种算法也是与特定的数据结构——链表关联在一起。
从实现细节上看，这两个find函数的算法是不同的：一个使用数组索引来遍历元素，另一个则将start重置为start->p_next。但从广义上说，这两种算法是相同的：将值依次与容器中的每个值进行比较，直到找到匹配的为止。
泛型编程旨在使用同一个find函数来处理数组、链表或任何其他容器类型。即函数不仅独立于容器中存储的数据类型，而且独立于容器本身的数据结构。模板提供了存储在容器中的数据类型的通用表示，因此还需要遍历容器中的值的通用表示，迭代器正是这样的通用表示。
要实现find函数，迭代器应具备哪些特征呢？下面是一个简短的列表。
- 应能够对迭代器执行解除引用的操作，以便能够访问它引用的值。即如果p是一个迭代器，则应对*p进行定义。
- 应能够将一个迭代器赋给另一个。即如果p和q都是迭代器，则应对表达式p=q进行定义。
- 应能够将一个迭代器与另一个进行比较，看它们是否相等。即如果p和q都是迭代器，则应对p= =q和p!=q进行定义。
- 应能够使用迭代器遍历容器中的所有元素，这可以通过为迭代器p定义++p和p++来实现。
迭代器也可以完成其他的操作，但有上述功能就足够了，至少对于find函数是如此。实际上，STL按功能的强弱定义了多种级别的迭代器，这将在后面介绍。顺便说一句，常规指针就能满足迭代器的要求，因此，可以这样重新编写find_arr()函数：
typedef double * iterator;
iterator find_ar(iterator ar, int n, const double & val)
{
for (int i = 0; i < n; i++, ar++)
if (*ar == val)
return ar;
return 0;
}然后可以修改函数参数，使之接受两个指示区间的指针参数，其中的一个指向数组的起始位置，另一个指向数组的超尾（程序清单7.8与此类似）；同时函数可以通过返回尾指针，来指出没有找到要找的值。下面的find_ar()版本完成了这些修改：
typedef double * iterator;
iterator find_ar(iterator begin, iterator end, const double & val)
{
iterator ar;
for (ar = begin; ar != end; ar++)
if (*ar == val)
return ar;
return end; // indicates val not found
}对于find_ll()函数，可以定义一个迭代器类，其中定义了运算符*和++：
struct Node
{
double item;
Node * p_next;
};
class iterator
{
Node * pt;
public:
iterator() : pt(0) {}
iterator (Node * pn) : pt(pn) {}
double operator*() { return pt->item;}
iterator& operator++() // for ++it
{
pt = pt->p_next;
return *this;
}
iterator operator++(int) // for it++
{
iterator tmp = *this;
pt = pt->p_next;
return tmp;
}
// ... operator==(), operator!=(), etc.
};为区分++运算符的前缀版本和后缀版本，C++将operator++作为前缀版本，将operator++（int）作为后缀版本；其中的参数永远也不会被用到，所以不必指定其名称。
这里重点不是如何定义iterator类，而是有了这样的类后，第二个find函数就可以这样编写：
iterator find_ll(iterator head, const double & val)
{
iterator start;
for (start = head; start!= 0; ++start)
if (*start == val)
return start;
return 0;
}这和find_ar()几乎相同，差别在于如何谓词已到达最后一个值。find_ar()函数使用超尾迭代器，而find_ll()使用存储在最后一个节点中的空值。除了这种差别外，这两个函数完全相同。例如，可以要求链表的最后一个元素后面还有一个额外的元素，即让数组和链表都有超尾元素，并在迭代器到达超尾位置时结束搜索。这样，find_ar()和find_ll()检测数据尾的方式将相同，从而成为相同的算法。注意，增加超尾元素后，对迭代器的要求变成了对容器类的要求。
STL遵循上面介绍的方法。首先，每个容器类（vector、list、deque等）定义了相应的迭代器类型。对于其中的某个类，迭代器可能是指针；而对于另一个类，则可能是对象。不管实现方式如何，迭代器都将提供所需的操作，如*和++（有些类需要的操作可能比其他类多）。其次，每个容器类都有一个超尾标记，当迭代器递增到超越容器的最后一个值后，这个值将被赋给迭代器。每个容器类都有begin()和end()方法，它们分别返回一个指向容器的第一个元素和超尾位置的迭代器。每个容器类都使用++操作，让迭代器从指向第一个元素逐步指向超尾位置，从而遍历容器中的每一个元素。
使用容器类时，无需知道其迭代器是如何实现的，也无需知道超尾是如何实现的，而只需知道它有迭代器，其begin()返回一个指向第一个元素的迭代器，end()返回一个指向超尾位置的迭代器即可。例如，假设要打印vector
vector<double>::iterator pr;
for (pr = scores.begin(); pr != scores.end(); pr++)
cout << *pr << endl;其中，下面的代码行将pr的类型声明为vector
vector<double> class:
vector<double>::iterator pr;如果要使用list
list<double>::iterator pr;
for (pr = scores.begin(); pr != scores.end(); pr++)
cout << *pr << endl;唯一不同的是pr的类型。因此，STL通过为每个类定义适当的迭代器，并以统一的风格设计类，能够对内部表示绝然不同的容器，编写相同的代码。
使用C++11新增的自动类型推断可进一步简化：对于矢量或列表，都可使用如下代码：
for (auto pr = scores.begin(); pr != scores.end(); pr++)
cout << *pr << endl;实际上，作为一种编程风格，最好避免直接使用迭代器，而应尽可能使用STL函数（如for_each()）来处理细节。也可使用C++11新增的基于范围的for循环：
for (auto x : scores) cout << x << endl;来总结一下STL方法。首先是处理容器的算法，应尽可能用通用的术语来表达算法，使之独立于数据类型和容器类型。为使通用算法能够适用于具体情况，应定义能够满足算法需求的迭代器，并把要求加到容器设计上。即基于算法的要求，设计基本迭代器的特征和容器特征。