STL中的迭代器模式：将算法与数据结构分离

目录

1.概述

2.容器类

2.1.序列容器

2.2.关联容器

2.3.容器适配器

2.4.数组

3.迭代器

4.重用标准迭代器

5.总结

---

1.概述

     在之前，我们讲了迭代器设计模式，分析了它的结构、角色以及优缺点：

设计模式之迭代器模式-CSDN博客

        在 STL 中，算法通常作为函数模板来实现，而数据结构（容器）则是模板类。这种分离使得算法可以独立于特定的数据结构来编写和使用，只要数据结构满足算法所需的接口（例如迭代器接口）。

        STL的中心思想是将算法与数据结构分离，彼此独立设计，最后在用iterator将他们结合在一起，获得最大的适配性。通过“迭代器”接口，已经实现了将算法与数据结构分离的目的。

2.容器类

        容器类是STL非常重要的一部分，它们提供了用于存储、检索和操作数据对象（如整数、浮点数、字符串等）的模板类。以下是STL中一些主要的容器类：

2.1.序列容器

        这些容器中的元素可以看作是线性排列的。

        std::vector: 动态数组，可以动态地增加和减少元素。

        std::deque: 双端队列，支持在序列的开头和结尾处快速插入和删除元素。

        std::list: 双向链表，允许在任何位置进行快速插入和删除操作。

        std::forward_list: 单向链表，仅支持向前迭代，并且在序列的开头进行快速插入和删除操作。

        std::array: 固定大小的数组，不是动态的，但提供了更好的性能。

        std::string: 特殊的动态字符数组，用于存储字符串。

        std::stack: 后入先出(LIFO)的容器适配器，通常基于std::deque或std::vector实现。

        std::queue: 先入先出(FIFO)的容器适配器，通常基于std::deque或std::list实现。

        std::initializer_list: 初始化其它容器的容器，只是std::initializer_list不存储数据，详见：

C++之std::initializer_list详解_c++ std initializer-CSDN博客

2.2.关联容器

        这些容器中的元素是按键（key）存储的，并且按键进行排序。

        std::set: 集合，包含唯一的元素，按键排序。

        std::multiset: 允许包含重复元素的集合。

        std::map: 关联数组，其中每个元素都是一对键/值对，按键排序。

        std::multimap: 允许键重复的关联数组。

        std::unordered_set: 无序集合，包含唯一的元素，但不按键排序。

        std::unordered_multiset: 允许包含重复元素的无序集合。

        std::unordered_map: 无序关联数组，其中每个元素都是一对键/值对，但不按键排序。

        std::unordered_multimap: 允许键重复的无序关联数组。

2.3.容器适配器

        这些类不是容器本身，但它们为其他容器类提供了不同的接口。

        std::stack: 后入先出(LIFO)的容器适配器。

        std::queue: 先入先出(FIFO)的容器适配器。

        std::priority_queue: 优先级队列，其中元素按优先级排序（通常基于堆实现）。

2.4.数组

       对于C数组，指针扮演迭代器的角色。

int myInts[100];
std::for_each(myInts, myInts + 100, doSomething);

        严格来说，myInts不是指针而是数组，但它仍然提供对数组的第一个元素的访问，而myInts + 100指向“结束后”的地址，符合begin-end的语义。

        因此，C数组可以与算法一起使用，在旧代码中非常有帮助。

        需要注意的是，自C++11以来引入了一种新的统一语法，使用std::begin（和std::end）自由函数（而不是类方法）。它们可以统一地用于任何具有可以无参数调用的begin（或end）方法的类型，并且也可以用于C数组。

        下面的代码示例说明了这种统一性：

int myInts[100];
std::vector<int> vec(100, 0); // 大小为100且初始化为0std::for_each(std::begin(vec), std::end(vec), doSomething);
std::for_each(std::begin(myInts), std::end(myInts), doSomething);

        这使得使用C数组变得更加简单，并且对于通用代码非常方便。

        需要注意的是，对于C数组，必须显式地写出std命名空间，因为它无法使用ADL，但对于vector可以省略std命名空间。

3.迭代器

1) 上述序列容器和关联容器都提供了标准的迭代器操作：

        正向迭代器：begin()和end()

        反向迭代器：rbegin()和rend()

        常量正向迭代器：cbegin()和cend()（或者const容器上的begin()和end()）

        常量反向迭代器：crbegin()和crend()（或者const容器上的rbegin()和rend()）

2) 容器迭代器是不提供这些操作的。

3) 数组可以用std::begin()和std::end()来获取正向迭代器、反向迭代器、常量正向迭代器和常量反向迭代器。

4.重用标准迭代器

        如果集合确实需要领域功能，或者只想要标准容器提供的部分功能，可能需要定义一个包装标准容器的类。在这种情况下，可以使用标准容器的迭代器来实现迭代器：

// 接口
class FlowCollection
{
public:// ...领域接口...// 允许访问数据的迭代器using const_iterator = std::vector<Flow>::const_iterator;const_iterator begin() const;const_iterator end() const;// 允许修改数据的迭代器using iterator = std::vector<Flow>::iterator;iterator begin();iterator end();// 其他迭代器...private:std::vector<Flow> m_flows;// ...领域数据...
};// 实现
FlowCollection::iterator FlowCollection::begin()
{return m_flows.begin();
}

那么算法就可以这样调用，以排序为例：

FlowCollection  data;std::sort(data.begin(), data.end());

5.总结

        STL 中的算法是一组函数模板，它们接受迭代器作为参数，并对迭代器范围内的元素执行操作。这些算法包括排序、搜索、复制、删除等操作。由于算法是独立于数据结构的，因此它们可以与任何支持迭代器接口的容器一起使用。

        通过将算法与容器分离，STL 允许程序员根据需要组合不同的算法和容器。例如，你可以使用排序算法对向量进行排序，或者使用搜索算法在集合中查找元素。这种灵活性使得 STL 能够适应各种不同的应用场景。

        总的来说，STL 的设计方式通过将算法与数据结构分离，实现了代码的可重用性、可维护性和灵活性。这使得 STL 成为 C++ 程序员在处理数据结构和算法时的重要工具。