如何正确实现自定义迭代器和 const_iterators？

Question

我有一个自定义容器类，我想为其编写 iterator 和 const_iterator 类。

我以前从未这样做过，也找不到合适的方法。关于迭代器创建的准则是什么？我应该注意什么？

我还想避免代码重复（我觉得const_iterator 和iterator 共享很多东西；一个应该继承另一个吗？）。

脚注：我很确定 Boost 可以缓解这种情况，但由于许多愚蠢的原因，我不能在这里使用它。

Answer 1

• 选择适合您容器的迭代器类型：输入、输出、转发等。
• 使用标准库中的基迭代器类。例如，std::iterator 和 random_access_iterator_tag。这些基类定义了 STL 所需的所有类型定义并完成其他工作。

• 为避免代码重复，迭代器类应该是一个模板类，并由“值类型”、“指针类型”、“引用类型”或所有这些参数化（取决于实现）。例如：

  // iterator class is parametrized by pointer type
  template <typename PointerType> class MyIterator {
      // iterator class definition goes here
  };
  
  typedef MyIterator<int*> iterator_type;
  typedef MyIterator<const int*> const_iterator_type;
  

  注意 iterator_type 和 const_iterator_type 类型定义：它们是非常量和 const 迭代器的类型。

另请参阅：standard library reference

编辑： std::iterator 自 C++17 起已弃用。查看相关讨论here。

Answer 2

我将向您展示如何轻松地为您的自定义容器定义迭代器，但以防万一我创建了一个 c++11 库，它允许您轻松地为任何类型的容器创建具有自定义行为的自定义迭代器, 连续的或不连续的。

你可以找到它on Github

以下是创建和使用自定义迭代器的简单步骤：

1. 创建您的“自定义迭代器”类。
2. 在“自定义容器”类中定义 typedef。
   • 例如typedef blRawIterator< Type > iterator;
   • 例如typedef blRawIterator< const Type > const_iterator;
3. 定义“开始”和“结束”函数
   • 例如iterator begin(){return iterator(&m_data[0]);};
   • 例如const_iterator cbegin()const{return const_iterator(&m_data[0]);};
4. 我们完成了！！！

最后，定义我们的自定义迭代器类：

注意： 在定义自定义迭代器时，我们从标准迭代器类别派生，让 STL 算法知道我们创建的迭代器类型。

在这个例子中，我定义了一个随机访问迭代器和一个反向随机访问迭代器：

1. //-------------------------------------------------------------------
   // Raw iterator with random access
   //-------------------------------------------------------------------
   template<typename blDataType>
   class blRawIterator
   {
   public:
   
       using iterator_category = std::random_access_iterator_tag;
       using value_type = blDataType;
       using difference_type = std::ptrdiff_t;
       using pointer = blDataType*;
       using reference = blDataType&;
   
   public:
   
       blRawIterator(blDataType* ptr = nullptr){m_ptr = ptr;}
       blRawIterator(const blRawIterator<blDataType>& rawIterator) = default;
       ~blRawIterator(){}
   
       blRawIterator<blDataType>&                  operator=(const blRawIterator<blDataType>& rawIterator) = default;
       blRawIterator<blDataType>&                  operator=(blDataType* ptr){m_ptr = ptr;return (*this);}
   
       operator                                    bool()const
       {
           if(m_ptr)
               return true;
           else
               return false;
       }
   
       bool                                        operator==(const blRawIterator<blDataType>& rawIterator)const{return (m_ptr == rawIterator.getConstPtr());}
       bool                                        operator!=(const blRawIterator<blDataType>& rawIterator)const{return (m_ptr != rawIterator.getConstPtr());}
   
       blRawIterator<blDataType>&                  operator+=(const difference_type& movement){m_ptr += movement;return (*this);}
       blRawIterator<blDataType>&                  operator-=(const difference_type& movement){m_ptr -= movement;return (*this);}
       blRawIterator<blDataType>&                  operator++(){++m_ptr;return (*this);}
       blRawIterator<blDataType>&                  operator--(){--m_ptr;return (*this);}
       blRawIterator<blDataType>                   operator++(int){auto temp(*this);++m_ptr;return temp;}
       blRawIterator<blDataType>                   operator--(int){auto temp(*this);--m_ptr;return temp;}
       blRawIterator<blDataType>                   operator+(const difference_type& movement){auto oldPtr = m_ptr;m_ptr+=movement;auto temp(*this);m_ptr = oldPtr;return temp;}
       blRawIterator<blDataType>                   operator-(const difference_type& movement){auto oldPtr = m_ptr;m_ptr-=movement;auto temp(*this);m_ptr = oldPtr;return temp;}
   
       difference_type                             operator-(const blRawIterator<blDataType>& rawIterator){return std::distance(rawIterator.getPtr(),this->getPtr());}
   
       blDataType&                                 operator*(){return *m_ptr;}
       const blDataType&                           operator*()const{return *m_ptr;}
       blDataType*                                 operator->(){return m_ptr;}
   
       blDataType*                                 getPtr()const{return m_ptr;}
       const blDataType*                           getConstPtr()const{return m_ptr;}
   
   protected:
   
       blDataType*                                 m_ptr;
   };
   //-------------------------------------------------------------------
   

2. //-------------------------------------------------------------------
   // Raw reverse iterator with random access
   //-------------------------------------------------------------------
   template<typename blDataType>
   class blRawReverseIterator : public blRawIterator<blDataType>
   {
   public:
   
       blRawReverseIterator(blDataType* ptr = nullptr):blRawIterator<blDataType>(ptr){}
       blRawReverseIterator(const blRawIterator<blDataType>& rawIterator){this->m_ptr = rawIterator.getPtr();}
       blRawReverseIterator(const blRawReverseIterator<blDataType>& rawReverseIterator) = default;
       ~blRawReverseIterator(){}
   
       blRawReverseIterator<blDataType>&           operator=(const blRawReverseIterator<blDataType>& rawReverseIterator) = default;
       blRawReverseIterator<blDataType>&           operator=(const blRawIterator<blDataType>& rawIterator){this->m_ptr = rawIterator.getPtr();return (*this);}
       blRawReverseIterator<blDataType>&           operator=(blDataType* ptr){this->setPtr(ptr);return (*this);}
   
       blRawReverseIterator<blDataType>&           operator+=(const difference_type& movement){this->m_ptr -= movement;return (*this);}
       blRawReverseIterator<blDataType>&           operator-=(const difference_type& movement){this->m_ptr += movement;return (*this);}
       blRawReverseIterator<blDataType>&           operator++(){--this->m_ptr;return (*this);}
       blRawReverseIterator<blDataType>&           operator--(){++this->m_ptr;return (*this);}
       blRawReverseIterator<blDataType>            operator++(int){auto temp(*this);--this->m_ptr;return temp;}
       blRawReverseIterator<blDataType>            operator--(int){auto temp(*this);++this->m_ptr;return temp;}
       blRawReverseIterator<blDataType>            operator+(const int& movement){auto oldPtr = this->m_ptr;this->m_ptr-=movement;auto temp(*this);this->m_ptr = oldPtr;return temp;}
       blRawReverseIterator<blDataType>            operator-(const int& movement){auto oldPtr = this->m_ptr;this->m_ptr+=movement;auto temp(*this);this->m_ptr = oldPtr;return temp;}
   
       difference_type                             operator-(const blRawReverseIterator<blDataType>& rawReverseIterator){return std::distance(this->getPtr(),rawReverseIterator.getPtr());}
   
       blRawIterator<blDataType>                   base(){blRawIterator<blDataType> forwardIterator(this->m_ptr); ++forwardIterator; return forwardIterator;}
   };
   //-------------------------------------------------------------------
   

现在在您的自定义容器类中：

template<typename blDataType>
class blCustomContainer
{
public: // The typedefs

    typedef blRawIterator<blDataType>              iterator;
    typedef blRawIterator<const blDataType>        const_iterator;

    typedef blRawReverseIterator<blDataType>       reverse_iterator;
    typedef blRawReverseIterator<const blDataType> const_reverse_iterator;

                            .
                            .
                            .

public:  // The begin/end functions

    iterator                                       begin(){return iterator(&m_data[0]);}
    iterator                                       end(){return iterator(&m_data[m_size]);}

    const_iterator                                 cbegin(){return const_iterator(&m_data[0]);}
    const_iterator                                 cend(){return const_iterator(&m_data[m_size]);}

    reverse_iterator                               rbegin(){return reverse_iterator(&m_data[m_size - 1]);}
    reverse_iterator                               rend(){return reverse_iterator(&m_data[-1]);}

    const_reverse_iterator                         crbegin(){return const_reverse_iterator(&m_data[m_size - 1]);}
    const_reverse_iterator                         crend(){return const_reverse_iterator(&m_data[-1]);}

                            .
                            .
                            .
    // This is the pointer to the
    // beginning of the data
    // This allows the container
    // to either "view" data owned
    // by other containers or to
    // own its own data
    // You would implement a "create"
    // method for owning the data
    // and a "wrap" method for viewing
    // data owned by other containers

    blDataType*                                    m_data;
};

Answer 3

他们经常忘记iterator 必须转换为const_iterator 而不是相反。这是一种方法：

template<class T, class Tag = void>
class IntrusiveSlistIterator
   : public std::iterator<std::forward_iterator_tag, T>
{
    typedef SlistNode<Tag> Node;
    Node* node_;

public:
    IntrusiveSlistIterator(Node* node);

    T& operator*() const;
    T* operator->() const;

    IntrusiveSlistIterator& operator++();
    IntrusiveSlistIterator operator++(int);

    friend bool operator==(IntrusiveSlistIterator a, IntrusiveSlistIterator b);
    friend bool operator!=(IntrusiveSlistIterator a, IntrusiveSlistIterator b);

    // one way conversion: iterator -> const_iterator
    operator IntrusiveSlistIterator<T const, Tag>() const;
};

在上面的通知中IntrusiveSlistIterator<T>如何转换为IntrusiveSlistIterator<T const>。如果T 已经是const，则永远不会使用此转换。

Answer 4

Boost 有一些帮助：Boost.Iterator 库。

更准确地说是这个页面：boost::iterator_adaptor。

非常有趣的是Tutorial Example，它展示了自定义类型从头开始的完整实现。

template <class Value>
class node_iter
  : public boost::iterator_adaptor<
        node_iter<Value>                // Derived
      , Value*                          // Base
      , boost::use_default              // Value
      , boost::forward_traversal_tag    // CategoryOrTraversal
    >
{
 private:
    struct enabler {};  // a private type avoids misuse

 public:
    node_iter()
      : node_iter::iterator_adaptor_(0) {}

    explicit node_iter(Value* p)
      : node_iter::iterator_adaptor_(p) {}

    // iterator convertible to const_iterator, not vice-versa
    template <class OtherValue>
    node_iter(
        node_iter<OtherValue> const& other
      , typename boost::enable_if<
            boost::is_convertible<OtherValue*,Value*>
          , enabler
        >::type = enabler()
    )
      : node_iter::iterator_adaptor_(other.base()) {}

 private:
    friend class boost::iterator_core_access;
    void increment() { this->base_reference() = this->base()->next(); }
};

正如已经引用的那样，要点是使用单个模板实现和typedef。

Answer 5

我不知道 Boost 是否有任何帮助。

我的首选模式很简单：采用等于value_type 的模板参数，无论是否为 const 限定。如有必要，还可以使用节点类型。然后，好吧，一切都到位了。

只要记住参数化（模板化）所有需要的东西，包括复制构造函数和operator==。在大多数情况下，const 的语义会产生正确的行为。

template< class ValueType, class NodeType >
struct my_iterator
 : std::iterator< std::bidirectional_iterator_tag, T > {
    ValueType &operator*() { return cur->payload; }

    template< class VT2, class NT2 >
    friend bool operator==
        ( my_iterator const &lhs, my_iterator< VT2, NT2 > const &rhs );

    // etc.

private:
    NodeType *cur;

    friend class my_container;
    my_iterator( NodeType * ); // private constructor for begin, end
};

typedef my_iterator< T, my_node< T > > iterator;
typedef my_iterator< T const, my_node< T > const > const_iterator;

Answer 6

有很多好的答案，但我创建了一个template header，我使用它非常简洁且易于使用。

要为你的类添加一个迭代器，只需要编写一个小类来表示迭代器的状态，其中包含 7 个小函数，其中 2 个是可选的：

#include <iostream>
#include <vector>
#include "iterator_tpl.h"

struct myClass {
  std::vector<float> vec;

  // Add some sane typedefs for STL compliance:
  STL_TYPEDEFS(float);

  struct it_state {
    int pos;
    inline void begin(const myClass* ref) { pos = 0; }
    inline void next(const myClass* ref) { ++pos; }
    inline void end(const myClass* ref) { pos = ref->vec.size(); }
    inline float& get(myClass* ref) { return ref->vec[pos]; }
    inline bool cmp(const it_state& s) const { return pos != s.pos; }

    // Optional to allow operator--() and reverse iterators:
    inline void prev(const myClass* ref) { --pos; }
    // Optional to allow `const_iterator`:
    inline const float& get(const myClass* ref) const { return ref->vec[pos]; }
  };
  // Declare typedef ... iterator;, begin() and end() functions:
  SETUP_ITERATORS(myClass, float&, it_state);
  // Declare typedef ... reverse_iterator;, rbegin() and rend() functions:
  SETUP_REVERSE_ITERATORS(myClass, float&, it_state);
};

然后你就可以按照你对 STL 迭代器的期望来使用它了：

int main() {
  myClass c1;
  c1.vec.push_back(1.0);
  c1.vec.push_back(2.0);
  c1.vec.push_back(3.0);

  std::cout << "iterator:" << std::endl;
  for (float& val : c1) {
    std::cout << val << " "; // 1.0 2.0 3.0
  }

  std::cout << "reverse iterator:" << std::endl;
  for (auto it = c1.rbegin(); it != c1.rend(); ++it) {
    std::cout << *it << " "; // 3.0 2.0 1.0
  }
}

希望对你有帮助。

Answer 7

我看到了这篇文章，很惊讶这里没有真正提到一个简单的方法。使用指向像std::iterator 描述的值的指针显然是一种非常通用的方法。但是你也许可以摆脱一些更简单的事情。当然，这是一种简单的方法，可能并不总是足够的，但如果是的话，我会将其发布给下一位读者。

你的类中的底层类型很可能是一个 STL 容器，它已经为你定义了迭代器。如果是这种情况，您可以简单地使用他们定义的迭代器，而无需自己制作。

这是一个例子：

class Foo {

  std::vector<int>::iterator begin() { return data.begin(); }
  std::vector<int>::iterator end() { return data.end(); }

  std::vector<int>::const_iterator begin() const { return data.begin(); }
  std::vector<int>::const_iterator end() const { return data.end(); }


private:
  std::vector<int> data

};

Answer 8

我很想知道这是如何正确，但似乎可以作为内部数据存储的滚动你自己的迭代器

template<typename T>
struct iterator_type
{
    using self_type             = iterator_type;
    using iterator_category     = std::random_access_iterator_tag;
    using difference_type       = std::ptrdiff_t;
    using value_type            = std::remove_cv_t<T>;
    using pointer               = T*;
    using reference             = T&;

    iterator_type( pointer ptr ) noexcept
        : _ptr{ ptr }
    {}

    reference operator*() noexcept { return *_ptr; }
    pointer operator->() noexcept { return _ptr; }

    self_type operator++() noexcept { ++_ptr; return *this; }
    self_type operator++(int) noexcept { self_type tmp = *this; ++_ptr; return tmp; }

    self_type operator--() noexcept { --_ptr; return *this; }
    self_type operator--(int) noexcept { self_type tmp = *this; --_ptr; return tmp; }

    bool operator==( const self_type &other ) const noexcept { return _ptr == other._ptr; }
    bool operator!=( const self_type &other ) const noexcept { return _ptr != other._ptr; }

private:
    pointer _ptr;
};


template<typename T>
using const_iterator_type = iterator_type<std::add_const_t<T>>;

然后我只是将这些添加到我的课程中，并且似乎按预期工作。

template<typename T>
class Container
{
public:
    using iterator               = iterator_type<T>;
    using const_iterator         = const_iterator_type<T>;
    using reverse_iterator       = std::reverse_iterator<iterator>;
    using const_reverse_iterator = std::reverse_iterator<const_iterator>;

...

    iterator begin() { return _begin; }
    iterator end() { return _begin + _size; }

    const_iterator cbegin() const { return _begin; }
    const_iterator cend() const { return _begin + _size; }

    reverse_iterator rbegin() { return reverse_iterator(_begin + _size); }
    reverse_iterator rend() { return reverse_iterator(_begin); }

    const_reverse_iterator crbegin() const { return const_reverse_iterator(_begin + _size); }
    const_reverse_iterator crend() const { return const_reverse_iterator(_begin); }

private:
    T*         _begin;
    size_t     _size;
    size_t     _capacity;
};

唯一的事情是，要使用 std::cbegin()、std::rcbegin()、std::cend() 和 std::rcend() 函数，我必须扩展 std 命名空间：

namespace std
{
    template<typename T>
    typename Container<T>::const_iterator cbegin( Container<T> &c ) { return c.cbegin(); }

    template<typename T>
    typename Container<T>::const_iterator cend( Container<T> &c ) { return c.cend(); }

    template<typename T>
    typename Container<T>::const_reverse_iterator crbegin( Container<T> &c ) { return c.crbegin(); }

    template<typename T>
    typename Container<T>::const_reverse_iterator crend( Container<T> &c ) { return c.crend(); }
}

Answer 9

检查下面的代码，它可以工作

#define MAX_BYTE_RANGE 255

template <typename T>
class string
{
public:
    typedef char *pointer;
    typedef const char *const_pointer;
    typedef __gnu_cxx::__normal_iterator<pointer, string> iterator;
    typedef __gnu_cxx::__normal_iterator<const_pointer, string> const_iterator;

    string() : length(0)
    {
    }
    size_t size() const
    {
        return length;
    }
    void operator=(const_pointer value)
    {
        if (value == nullptr)
            throw std::invalid_argument("value cannot be null");
        auto count = strlen(value);
        if (count > 0)
            _M_copy(value, count);
    }
    void operator=(const string &value)
    {
        if (value.length != 0)
            _M_copy(value.buf, value.length);
    }
    iterator begin()
    {
        return iterator(buf);
    }
    iterator end()
    {
        return iterator(buf + length);
    }
    const_iterator begin() const
    {
        return const_iterator(buf);
    }
    const_iterator end() const
    {
        return const_iterator(buf + length);
    }
    const_pointer c_str() const
    {
        return buf;
    }
    ~string()
    {
    }

private:
    unsigned char length;
    T buf[MAX_BYTE_RANGE];

    void _M_copy(const_pointer value, size_t count)
    {
        memcpy(buf, value, count);
        length = count;
    }
};