【C++ Primer Plus】泛型编程之迭代器和容器

1. 使用迭代器的原因

 　　下面用两个遍历函数引出使用迭代器的原因。实现细节上来看，两个 find 函数算法不同，但广义上来看，他们的目的都是匹配值相同的一项。

// 给定一个double数组, 返回值相同的一项
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;
}
// 给定一个链表节点, 返回值相同的一项
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;
}

• 迭代器要求：为不同的类设计迭代器，并为迭代器定义p++、++p、p=q
• 容器要求：让数组和链表拥有超尾元素，迭代器到达超尾元素后结束搜索

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;
}
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;    // 未找到
}

2. 迭代器类型

　　不同算法对迭代器的要求不同。查找算法只需要读取数据；而排序算法需要读写数据和随机访问，例如 iter 是一个迭代器，需要重新定义 + 运算符来实现 iter + 10 访问元素

• 输入迭代器：输入是从程序的角度来说的，迭代器向程序输入，因此需要迭代器可以解引用使程序能读取迭代器中的值，但不需要修改迭代器中的值。注意迭代器是单项迭代器，只能递增不能递减，迭代器递增后也不能保证先前的值仍可以被解引用。
• 输出迭代器：输出是从程序输出到迭代器，因此需要迭代器可以被写入。注意输出迭代器只能写入却不能读取，这就类似于 cout 可以向屏幕输出但不能读取屏幕内容。
• 正向迭代器：正向迭代器与输入和输出迭代器相同，只能使用++运算符遍历容器。但正向迭代器递增后，仍然可以对前面迭代器的值解引用，并且支持输入和输出
• 双向迭代器：同时支持++和--
• 随机访问迭代器：允许从一个元素直接跳到另一个元素称为随机访问，它具有双向迭代器的所有特性

3. 迭代器层次结构

3.1 将指针用作迭代器

　　迭代器是广义指针，而指针满足迭代器的所有要求。迭代器是STL算法的接口，而指针就是迭代器，因此STL算法可以直接使用最普通的指针来进行一些操作，下面给出一个例子

const int SIZE = 100;
double Receipts[size];

　　STL sort() 函数接收容器第一个指针和超尾指针作为参数，即&Receipts[0] 和 &Receipts[SIZE]，也可以是下面的写法。因为c++将超尾概念用于数组，所以我们可以将STL算法用于常规数组

sort(Receipts, Receipts + SIZE);

4. 容器类型

4.1 序列容器

4.1.1 vector

　　vector 是数组的一种类表示，它提供了自动内存管理功能，容量随着元素添加和删除而增大和缩小。vector 是可翻转容器（reversible container），rbegin() 和 rend() 返回的是反转后的第一个元素的迭代器和反转后的超尾迭代器

for_each(dice.begin(), dice.end(), Show);    // 顺序显示
for_each(dice.rbegin(), dice.rend(), Show();    // 逆序显示

4.1.2 deque

　　deque 是双端队列，实现类似于 vector 容器，支持随机访问。与 vector 的主要区别是它在队列开始位置的插入和删除时间是固定的，而非线性

4.1.3 list和forward_list(C++11)

　　list 是双向链表，C++11 中实现了单链表 forward_list

4.1.4 queue和priority_queue

　　queue 是一个适配器类，实现了队列的功能（先进先出），底层实现默认为 deque

　　priority_queue是另一个适配器类，支持的操作与queue相同，但它自动将最大的元素移动到队首，默认底层类为 vector

4.1.5 stack

　　stack 是一个适配器类，默认底层类为vector，实现了栈的功能（后进先出）

4.1.6 array(C++11)

　　array不是STL容器，因为它的长度是固定的，但它定义了 operator[] () 和 at()，许多STL算法适用于array

4.2 关联容器

4.2.1 set和multiset

　　set 是关联集合，可以反转和自动排序，且键是唯一的，默认情况下使用模板less<>来对键进行排序

set<string> A;
set<string, less<string>> A;    // 这是完整写法

　　排序方法决定了插入的位置，所以只需要提供插入的信息即可

int main(){
    const int N = 6;
    string s1[N] = { "buffoon", "thinkers", "for", "heavy", "can", "for" };
    set<string> A(s1, s1 + N);    // 利用容器的构造方法, 给定了第一个元素的指针和超尾指针
    ostream_iterator<string, char> out(cout, " ");
    copy(A.begin(), A.end(), out);    // buffoon can for heavy thinkers
}

4.2.2 map和mutimap

　　map和set最大的区别是，map的键和值类型不同，默认情况下也使用less进行排序

map<int, string> code;
map<int, string, less<int>> code;

　　下面是一个mutimap的例子，codes.equal_range(213) 返回一个键值对，包含两个迭代器，包含了键为213的所有值的信息，可以通过遍历这个迭代器得到

int main(){
    multimap<int, string> codes;
    pair<const int, string> item(213, "Los Angeles");          　　  // 创建一个键值对
    codes.insert(item);                                          　  // 插入元素
    codes.insert(pair<const int, string>(213, "Los Angeles"));   　　// 插入元素
    codes.insert(pair<const int, string>(213, "Los Angeles 2"));    // 插入元素
    codes.insert(pair<const int, string>(213, "Los Angeles 3"));    // 插入元素
    pair<multimap<int, string>::iterator, multimap<int, string>::iterator> range
        = codes.equal_range(213);
    for (auto it = range.first; it != range.second; ++it)
    {
        cout << (*it).second << endl;
    }
}

4.3 无序关联容器

无序关联容器与关联容器相同，将值和键关联起来，但关联容器底层通过树实现，无序关联容器通过哈希表实现，目的是提高添加和删除元素的速度以及查找算法的效率，它们是unordered_set、unordered_multiset、unordered_map、unordered_multimap