Effective STL~4 迭代器（条款26~29）

目录

• 第26条：iterator优先于const_iterator、reverse_iterator以及const_revserse_iterator
  • iterator和const_iterator关系
  • 2个iterator之间混合使用
• 第27条：使用distance和advance将容器的const_iterator转换成iterator
• 第28条：正确理解由reverse_iterator的base()成员函数所产生的iterator的用法
• 第29条：对于逐个字符的输入请考虑使用istreambuf_iterator

第26条：iterator优先于const_iterator、reverse_iterator以及const_revserse_iterator

STL标准容器提供4种不同的迭代器类型：iterator、const_iterator、reverse_iterator、const_reverse_iterator。
对于容器类container而言，iterator类型相当于T，const_iterator相当于const T。
对于一个iterator或const_iterator进行递增，则可以移动到容器中的下一个元素，从而可以实现从容器头部遍历到尾部。

reverse_iterator、const_reverse_iterator分别对应于T、const T，区别在于这2个迭代器递增的效果是从容器的尾部反向遍历到头部。

注意：原文提到vector的insert和erase函数原型中，迭代器参数都是iterator类型的。然而，时至C++11以后，不论GCC，还是MSVC的STL实现，都已经改成const_iterator，而且对重载函数支持的参数类型也做了扩充。

// GCC关于vector容器的insert、erase函数原型
iterator insert(const_iterator __position, const value_type& __x);
iterator insert(const_iterator __position, value_type&& __x);
iterator insert(const_iterator __position, initializer_list<value_type> __l);
iterator insert(const_iterator __position, size_type __n, const value_type& __x);
iterator insert(const_iterator __position, _InputIterator __first, _InputIterator __last);

iterator erase(const_iterator __position);
iterator erase(const_iterator __first, const_iterator __last)

iterator和const_iterator关系

因为iterator到const_iterator之间存在隐式转换，通过调用iterator的base成员函数，可以将iterator转换为const_iterator，反过来则不行。而得到const_iterator，意味着很难将这类迭代器与容器的某些成员函数一起使用，因为无法通过const_iterator修改所指向的内容。

reverse_iterator与const_reverse_iterator之间，也存在类似关系。

当然，这并不意味着const_iterator一无是处。有许多算法并不关心所面对的是什么类型的迭代器，通常只关心这些迭代器属于何种类别（category）。

为什么应尽可能使用iterator，而避免使用const或reverse型迭代器？

因为，

• 有些版本insert和erase函数要求使用iterator。如果要调用这些函数，那就必须使用iterator。const和reverse型迭代器则不行。
• 要想隐式地将一个const_iterator转换成iterator是不可能的。这种技术不普遍，且效率无法保证，见条款27.
• 从reverse_iterator转换而来的iterator在使用前可能需要相应的调整。见条款28。

2个iterator之间混合使用

// OK
typedef deque<int> IntDeque; // typedef极大简化STL容器类和iterator类型的用法
typedef IntDeque::iterator Iter;
typedef IntDeque::const_iterator ConstIter;

Iter i;
ConstIter ci;
// ...
if (i == ci) // 使ci和i指向同一容器，然后比较一个iterator和一个const_iterator
{
       // ...
}

2个迭代器之间比较if (i == ic) ，应该没有问题，一个对象类型iterator，另一个是const_iterator。比较时，i转换成const_iterator类型。

然而，有些STL实现并没有将operator==实现为iterator的成员函数，就会导致上面的比较无法通过编译。解决办法是交换i和ci的位置。
类似地，如果试图在2个随机访问迭代器之间做减法操作：

if (i - ci >= 3) ... // 如果i和ci之间至少有3个元素

if (ci + 3 <= i) ... // 以上if语句无法编译通过时，可以这样转换解决

避免这种问题最简单的办法就是：减少混用不同类型的迭代器的机会，尽量使用iterator来代替const_iterator，避免卷入const_iterator的麻烦中。

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第27条：使用distance和advance将容器的const_iterator转换成iterator

有些容器类的成员函数仅仅接受iterator作为参数，const_iterator不能作为其参数。那么，如果手上有一个const_iterator，如何转换为iterator呢？
如条款26所述，const_iterator到iterator之间并没有隐式转换。我们可能会考虑到类型转换。
下面的代码，试图把一个const_iterator强制转换为iterator：

typedef deque<int> IntDeque;                      // 类型定义，简化代码
typedef IntDeque::iterator Iter;
typedef IntDeque::const_iterator ConstIter;

ConstIter ci;
...
Iter i(ci);  // 编译错误：从const_iterator到iterator没有隐式转换
              
Iter i(const_cast<Iter>(ci));  // 编译错误：不能将const_iterator强制转换为iterator

示例是针对deque，然而对于其他容器类（list、set、multiset、map、multimap等）得到的结果也一样。不过，也许在vector或string类的情形下，强制转换的代码能通过编译，但这属于特殊情况。

为什么包含显式类型转换的代码不能通过编译？
因为对于这些容器类型，iterator和const_iterator是完全不同的类，它们之间的关系很远。试图将一种类型转换为另一种类型是毫无意义的，这是const_cast转换被拒绝的原因。不仅如此，reinterpret_cast、static_cast，甚至C风格类型转换也不行。

为什么对于vector和string容器，或许可以通过编译？
不过，对于vector和string容器，上面包含const_cast的代码也许能通过编译。这是因为，大多数STL实现都会利用指针作为vector和string的迭代器。对于这样的实现，vector::iterator和vector::const_iterator分别被（通过类型定义）定义为T和const T，string::iterator和string::const_iterator则分别被定义为char和const char。因此，在这样的实现中，const_iterator到iterator的const_cast转换被解释为从const T到T的转换，因而可以通过编译，而且结果正确。
然而，reverse_iterator和const_reverse_iterator仍然是真正的类（而非T和const T），所以你不能直接通过const_cast强制转换成reverse_iterator。
而且，如条款50，STL实现为了便于调试，通常只会在Release模式下，才使用指针来表示vector和string的迭代器。
综上，即便对于vector和string，将const迭代器强制转换成迭代器也是不可取的，因为移植性将是一个问题。

advance+distance将const_iterator转换成iterator
将上面代码稍作修改，使用advance和distance就能将const_iterator转换成iterator

typedef deque<int> IntDeque;
typedef IntDeque::iterator Iter;
typedef IntDeque::const_iterator ConstIter;

IntDeque d;
ConstIter ci;
... // 使得ci指向d
Iter i(d.begin()); // 使得i指向d的其实位置
advance(i, distance(i, ci)); // 编译错误：需要修改才能编译。移动i，使它指向ci所指的位置

distance和advance都是声明在中的2个函数模板：
distance用来取得（同一个容器的）2个迭代器之间的距离；advance用来将一个迭代器移动指定的距离。

也就是说，代码试图将i从容器d的起始位置开始，移动distance距离，而distance距离是容器d起始位置到迭代器ci的距离，从而将const_iterator类型的ci，转换成同位置的iterator类型的i。
然而，问题在于distance函数模板接受的参数必须是同一种类型：

template<class InputInterator>
typename iterator_traits<InputInterator>::difference_type distance(InputInterator _First, InputInterator _Last);

我们给distance同时传递iterator类型迭代器和const_iterator类型迭代器，编译器无法同时实例化为两种类型。要想让distance编译通过，需要排除这里的二义性。

advance(i, distance<ConstIter>(i, ci)); // OK：将i和ci都当做const_iterator，计算出它们之间的距离，然后将i移动这段距离

advance+distance转换const_iterator为iterator效率问题
既然advance和distance能将const_iterator转换为iterator，那么效率如何？
效率取决于你所使用的迭代器。
对于随机访问的迭代器（如vector、string、deque产生的迭代器），是常数时间的操作；
对于双向迭代器（所有其他标准容器的迭代器，以及某些哈希容器实现（条款25）的迭代器），是线性操作时间。

因为迭代器转换可能需要线性操作时间，所有尽量避免转换。如果需要，尽量用iterator替代const或reverse型的迭代器。

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第28条：正确理解由reverse_iterator的base()成员函数所产生的iterator的用法

由reverse_iterator的base()成员函数，能得到与之对应的iterator，但没有说明真正的含义。
看一个例子：把1~5放进一个vector，然后将一个reverse_iterator指向值3，并通过其base()成员函数初始化一个iterator。

vector<int> v;
v.reserve(5);
for (size_t i = 0; i <= 5; i++)
{
       v.push_back(i);
}
vector<int>::reverse_iterator ri = find(v.rbegin(), v.rend(), 3);
vector<int>::iterator i(ri.base());

cout << *ri << ", " << distance(v.rbegin(), ri) << endl;
cout << *i << ", " << distance(v.begin(), i) << endl;

执行上面代码，该vector和相应迭代器状态：

可以知道，reverse_iterator与base()产生的iterator之间存在偏差：ir指向3，i指向4。
然而，容器类的有些成员函数仅接受iterator作为迭代器参数，如insert函数不接受reverse_iterator参数，如果要插入（insert）元素，就要先通过base成员函数将其转化为iterator，然后用iterator来完成插入。删除（erase）元素也存在类似的问题。

对于插入操作
ri和ri.base()是等价的。

例如，插入元素99之前，ri指向3，i指向4。考虑insert与遍历方向的关系，用i进行insert操作，结果跟用ri来指定插入位置得到的结果相同。

对于删除操作
ri和ri.base()是不等价的。

在插入99之前，ri和i指向不同的元素，如果要删除，就必须删除i前面的元素。

vector<int> v;
...
v.erase(--ri.base()); // 删除ri所指元素：试图删除ri.base()前一个元素，对于有的STL vector和string实现，编译可能不通过

v.erase((++ri).base()); // 同上，删除ri所指元素

综上，通过base()成员函数，将reverse_iterator转换为iterator后，用iterator对容器进行插入、删除操作时，一定要清楚差别。

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第29条：对于逐个字符的输入请考虑使用istreambuf_iterator

保留空白字符
假设我们想把文本文件"interestingData.txt"的所有内容拷贝到一个string对象中，可以用如下代码：

// 存在某些问题：不会保留空白字符
ifstream inputFile("interestingData.txt");
string fileData((istream_iterator<char>(inputFile)), istream_iterator<char>());

cout << fileData << endl;

然而，这段代码并没有把文件中的空白字符拷贝到string对象中。这是因为ifstream使用operator>>来完成读操作的，而operator>>默认情况下会跳过空白字符。
如果想要保留空白字符，那么就要修改默认行为，只需要清除输入流的skipws标志即可：

// OK：达到了保留空白字符的效果
ifstream inputFile("interestingData.txt");
inputFile.unsetf(ios::skipws); // 添加了这一行：禁止忽略inputFile中的空格
string fileData((istream_iterator<char>(inputFile)), istream_iterator<char>());

cout << fileData << endl;

提高ifstream读取字符的效率
istream_iterator内部使用operator>>会执行格式化输入，每调用一次，就会执行许多附加操作，导致效率低下。如果只是想从输入流读出下一个字符，完全没必要进行这些附加操作。

解决办法就是使用istreambuf_iterator。其用法类同istream_iterator，但istream_iterator对象operator>>从输入流读取单个字符，而istreambuf_iterator>>则直接从流的缓冲区中读取下一个字符。

使用istreambuf_iterator读取字符后，不再需要清除输入流skipws标志，因为istreambuf_iterator不会跳过任何字符，只是简单的取回流缓冲区的下一个字符（不论是什么字符）。

// OK
ifstream inputFile("interestingData.txt");
string fileData((istreambuf_iterator<char>(inputFile)),  istreambuf_iterator<char>());

cout << fileData << endl;

综上
1）如果你需要从一个输入流逐个读取字符，那么可不必使用格式化输入；如果关心的是读取流的时间开销，那么使用istreambuf_iterator取代istream_iterator，可以有效改善性能。对于非格式化的逐个字符的输入过程，总是应该考虑使用istreambuf_iterator。
2）对于非格式化的逐个字符输出过程，也应该考虑使用outtreambuf_iterator，从而改善性能。

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