The Standard Librarian: Defining Iterators and Const Iterators
Matt Austern
http://www.cuj.com/experts/1901/austern.htm?topic=experts
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写一个iterator并不难，并且它是扩展C++标准运行库的一个自然方式。但如果你想做正确，还是一些应该知道的关键点的。
标准C++运行库被设计得可扩展的：标准算法（如reverse()和partition()）对预定义的容器（如vector和list）进行操作，并且它们也可以操作于用户自定义的提供了适当iterator的数据结构。对运行库的高效使用包括对它的扩充。
现如今，iterator对绝大多数的C++程序员都不陌生了。Iterator抽象了指针的绝大部分基本特征：forward iterator指向序列中的某个对象，而且它能进行增量运算以指向序列中的下一个元素。(更强的iterator范畴，bidirectional iterator和random iterator提供了额外的遍历序列的方法。更弱的iterator范畴则对绝大多数的数据结构都是不合适的。)
每iterator都有一个范畴类型category_type（对forward iterator来说则是std::forward_iterator_tag），一个value_type (它所指向的对象的类型)，一个difference_type(表示序列中两个元素间距离的一个整数类型)，以及一个pointer_type和reference_type(指向iterator的value_type的指针和引用)。这些类型都可通过std::iterator_traits来访问；当你定义自己的iterator类时，提供它们的最容易的方法是提供嵌套的typedefs： iterator_category，value_type，difference_type，pointer，和reference。
所谓forward iterator就是任何满足C++标准§24.1.3中的需求的类型；标准的那个小节告诉了你要定义什么成员函数和重载哪些运算符。一旦你已经知道iterator需要掌握的信息（以使得它能指向一个元素和找到其下一个元素），定义一个forward iterator只不过是对这些成员函数进行填空。
配对的Iterator
使问题变复杂的一个因素是通常定义一个iterator类是不够的。你可能需要定义两个iterator类，一个允许修改它所指向的对象（*i返回对象的引用），而另一个不允许（*i返回一个const的引用）。运行库预定义的容器类这么做了：举例来说，std::list类，有一个嵌套类型 iterator和另外一个不同的嵌套类型const_iterator；后者可以用来遍历const std::list。list<T>::iterator和list<T>::const_iterator的value_type都是T，但reference_type和pointer_type不同：对list<T>::iterator它们分别是T&和T*，而对list<T>::const_iterator它们是const T&和const T*。你能将一个list<T>::iterator转换到一个list<T>::const_iterator，但(由于const 的正确性的明显理由)不能反过来。
配对的iterator在用户自定义类型中如同在标准运行库预定义类型中一样常见。举例来说，假设你正在定义一个简单的单向链表类。你可能这样开始：
template <class T>
struct slist_node {
T val;
slist_node* next;
slist_node
(const T& t, slist_node* p)
: val(t), next(p) { }
};
template <class T> struct slist {
slist_node<T>* head;
...
};
供slist用的iterator类同样简单：
template <class T>
struct slist_iterator {
typedef std::forward_iterator_tag
iterator_category;
typedef T value_type;
typedef std::ptrdiff_t
difference_type;
typedef T& reference;
typedef T* pointer;
slist_iterator(slist_node<T>* x=0)
: p(x) { }
slist_iterator
(const slist_iterator& i)
: p(i.p) { }
reference operator*() const
{ return p->val; }
pointer operator->() const
{ return &(p->val); }
slist_iterator& operator++() {
p = p->next;
return *this;
}
slist_iterator operator++(int) {
slist_iterator tmp(*this);
++*this;
return tmp;
}
slist_node<T>* p;
};
我们该如何定义相应的const iterator？我们可以定义一个独立的 slist_const_iterator类，但代码重复造成浪费和易于出错。将slist_iterator变成slist_const_iterator时，变化是极小的：
l 申明p的类型为const slist_node<T>*而不是slist_node<T>*。
l 申明pointer和reference为const T*和const T&。
l 定义一个转换构造函数，它接受一个slist_iterator类型的参数。
这并不妨碍定义单个类来同时取代slist_iterator和slist_const_iterator。我们将iterator定义为接受一些额外模板参数，这些参数决定它是否为一个const iterator。我们给这个类一个带非const版本的参数的构造函数；一种情况下它将成为一个拷贝构造函数，而另一种情况下它将成为一个转换构造函数。另外二个差异只涉及用一个类型代替另外一个，因此很容易将它们封装入模板参数。
最后：那些额外的模板参数应该看起来象什么？在我的书中[注1]，我建议pointer和reference类型作为模板参数显式传入。那个方法是可以的，但是它造成了多少有些笨重的类型名称；有一个整洁的解决方案。我们可以只提供一个额外模板参数，一个布尔标志，以决定我们是否正在定义const iterator，然后使用一点小技巧：“编译期的? : 操作”以根据此标志选择一个类型或另一个。这展示于Listing 1。
等于比较
我们还没有定义一个相等操作。这中间还隐藏着一个问题，而你甚至能在一些标准运行库预定义的iterator中发现它。试着编译这一个程序：
#include <deque>
int main() {
std::deque<int> d;
std::deque<int>::const_iterator i = d.begin();
while (d.end() != i)
++d;
}
程序没有做任何事，但问题不在于这一点。重要的是，对很多现存的运行库的实作，它甚至不能编译。那些实作有bug吗？不一定；i的类型是deque<int>::const_iterator，而d.begin()返回一个deque<int>::iterator，C++标准没有明确这两者之间的等于比较是否保证能工作[注3]。然而，即使标准没有明确要求这一点，如果你在你自己的iterator类中支持它的话，当然会更友好。
你可能想知道这怎么会成为问题。毕竟，我们不是已经说了容器的 iterator类型总能被转换到它的const iterator类型吗？如果d.begin()能转换成deque<>::const_iterator，那么为什么不能比较他们？
问题是有许多的不同方法来定义iterator的相等操作；如果它们是按两种最显而易见的方法来定义的，容器的iterator和const iterator类型之间的比较将不能工作。
首先，假设operator==()被定义为成员函数。这不足够好。如果i是 deque<>::const_iterator，而j是deque<>::iterator，那么i == j可以工作而j == i不能。很容易明白不对称的原因：成员函数天生就是不对称的。a.f(b)这样的表达式（或，对本例，j.operator==(i)）调用特定类的成员函数；转换只发生在函数的参数上。
再明白不过了，于是，你的下个想法可能是定义operator==()为非成员函数。很不幸，这样作更糟！一个简单的程序举例说明了问题：
template <class T> struct A { };
template <class T> struct B {
B() { }
B(A<T>) { }
};
template <class T>
void f(B<T>, B<T>) { }
int main() {
A<int> a;
B<int> b(a); // OK, A is
// convertible to B
f(a, b); // Doesn’t work
}
A能转换到B还不足够。如果f不是模板，不会有问题：编译器会应用用户自定义的A<int>到B<int>的转换。然而，因为f依赖于模板参数T，另一个步骤将先执行：编译器必须推导出一个T类型以使得函数的调用匹配于f的实参表。对本例，无法匹配：f的申明说它的实参应该是相同类型的，但我们试图用两个不同的类型来调用它。模板参数推导需要完全匹配[注4]；用户自定义的转换操作不会被考虑。
我们不能申明operator==()为成员函数，也不能是非成员模板函数。看起来我们需要申明一系列的非模板函数，对应于每个可能的iterator类实例。这是一个奇怪的需求，因为一系列参数化的函数正是模板的功能，但最奇怪的是它实际上是可能的。
它之所以可能，是因为类模板中友元申明上的一个含糊的漏洞[注5]（WQ注，参看Herb Sutter的文章《Sutter's Mill： Befriending Templates》，CSDN上亦有我译的中文版）。你能显式申明友元函数是一个模板（的实例）。然而，如果你没有，并且如果它不匹配于已经被申明的函数模板，那么编译器将假设它是一个普通的非模板函数。举例来说：
template <class T> void g(T);
template <class T> struct X {
// f is a function template
friend void f<T>(T);
// g is a function template
friend void ::g(T);
// h is a non-template function
friend void h(T);
};
通常这只会造成麻烦：正常情况下你期望编译期将h这样的东西认为是函数模板的申明，于是你不得不记住将它按编译器认为的方式申明。然而，有时候，这个怪异之事还真的有用。如果在友元声明时同时定义这个函数，并且申明它为一个非模板友元，你将会得到一系列的非模板函数－－正是我们在iterator的相等操作上所需要的。
template <class T> struct X {
friend void f(T) { } // f is a non-template function
};
slist_iterator的完全的定义，包括相等比较，见于Listing 2。
总结
当你写一个容器或象容器的东西时，通常定义一个iterator类是不够的。你需要定义配对的iterator和const iterator类。定义这样的配对类会带来一些实现上的问题，这些问题是在只定义单个iterator类时是没有的。
iterator/const iterator这两个类必须具有相同的iterator category，defference type和value_type；iterator类必须能转换到const iterator类，但不能反过来。你将iterator和const iterator定义为一个类，通过增加额外的模板参数并使用choose模板（或类似的东西）来定义适当的嵌套类型。如果你正在使用预定义的容器类（string，vector，list，deque，set，map，mulitset，multimap），应该避免对它的一个iterator和一个const iterator进行比较。如果d是deque(反过来就是const deque&)，你不应该写：
std::deque<int>::const_iterator i = d.begin();
while (i != d.end())
...
你应该写：
std::deque<int>::iterator i = d.begin();
while (i != d.end())
...
C++标准没有明确说第一种形式应该能工作，并且，的确，它不能在所有实作上都工作。如果避免它，你的程序将更可移植。当你正在定义你自己的配对的iterator和const iterator类时，你能容易地确保两者间的比较将正确工作；只要确保定义比较操作为非模板的友元函数。
Listing 1: An Slist_iterator class, complete except for the equality operator
template <bool flag, class IsTrue, class IsFalse>
struct choose;
template <class IsTrue, class IsFalse>
struct choose<true, IsTrue, IsFalse> {
typedef IsTrue type;
};
template <class IsTrue, class IsFalse>
struct choose<false, IsTrue, IsFalse> {
typedef IsFalse type;
};
template <class T, bool isconst = false>
struct slist_iterator {
typedef std::forward_iterator_tag iterator_category;
typedef T value_type;
typedef std::ptrdiff_t difference_type;
typedef typename choose<isconst, const T&, T&>::type
reference;
typedef typename choose<isconst, const T*, T*>::type
pointer;
typedef typename choose<isconst, const slist_node<T>*,
slist_node<T>*>::type
nodeptr;
slist_iterator(nodeptr x = 0) : p(x) { }
slist_iterator(const slist_iterator<T, false>& i)
: p(i.p) { }
reference operator*() const { return p->val; }
pointer operator->() const { return &(p->val); }
slist_iterator& operator++() {
p = p->next;
return *this;
}
slist_iterator operator++(int) {
slist_iterator tmp(*this);
++*this;
return tmp;
}
nodeptr p;
};
— End of Listing —
Listing 2: A complete implementation of Slist_iterator and a partial implementation of an Slist container
template <class T> struct slist_node {
T val;
slist_node* next;
slist_node(const T& t, slist_node* p)
: val(t), next(p) { }
};
template <bool flag, class IsTrue, class IsFalse>
struct choose;
template <class IsTrue, class IsFalse>
struct choose<true, IsTrue, IsFalse> {
typedef IsTrue type;
};
template <class IsTrue, class IsFalse>
struct choose<false, IsTrue, IsFalse> {
typedef IsFalse type;
};
template <class T, bool isconst = false>
struct slist_iterator {
typedef std::forward_iterator_tag iterator_category;
typedef T value_type;
typedef std::ptrdiff_t difference_type;
typedef typename choose<isconst, const T&, T&>::type
reference;
typedef typename choose<isconst, const T*, T*>::type
pointer;
typedef typename choose<isconst, const slist_node<T>*,
slist_node<T>*>::type
nodeptr;
slist_iterator(nodeptr x = 0) : p(x) { }
slist_iterator(const slist_iterator<T, false>& i)
: p(i.p) { }
reference operator*() const { return p->val; }
pointer operator->() const { return &(p->val); }
slist_iterator& operator++() {
p = p->next;
return *this;
}
slist_iterator operator++(int) {
slist_iterator tmp(*this);
++*this;
return tmp;
}
friend bool operator==(const slist_iterator& x,
const slist_iterator& y) {
return x.p == y.p;
}
friend bool operator!=(const slist_iterator& x,
const slist_iterator& y) {
return x.p != y.p;
}
nodeptr p;
};
// This is not a complete container class. It is just
// enough to illustrate defining and using an iterator/
// const iterator pair.
template <class T> struct slist {
slist_node<T>* head;
typedef slist_iterator<T> iterator;
typedef slist_iterator<T, true> const_iterator;
iterator begin() { return iterator(head); }
iterator end() { return iterator(0); }
const_iterator begin() const {
return const_iterator(head);
}
const_iterator end() const {
return const_iterator(0);
}
slist() : head(0) { }
~slist() {
while (head) {
slist_node<T>* next = head->next;
delete head;
head = next;
}
}
void push_front(const T& t) {
head = new slist_node<T>(t, head);
}
...
};
— End of Listing —
Notes and References
[1] Matt Austern. Generic Programming and the STL (Addison-Wesley, 1998).
[2] Using partial specialization to define a compile-time ?: operator (as well as other compile-time Boolean operations) is a relatively old idea; using it as a clean solution to the iterator/const iterator problem is more recent. I learned of the latter idea from Jeremy Siek.
[3] This is an open issue under consideration by the C++ standardization committee. See http://anubis.dkuug.dk/jtc1/sc22/wg21/docs/lwg-active.htm#179.
[4] The full rules for template argument deduction are described in §14.8.2.1 of the C++ Standard.
[5] See §14.5.3 of the C++ Standard.