迭代器库

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迭代器库
迭代器概念
迭代器原语
算法概念与工具
间接可调用概念
常用算法要求
(C++20)
(C++20)
(C++20)
工具
(C++20)
迭代器适配器
范围访问
(C++11)(C++14)
(C++14)(C++14)  
(C++11)(C++14)
(C++14)(C++14)  
(C++17)(C++20)
(C++17)
(C++17)
 

迭代器是一种广义化的指针，它使得 C++ 程序可以通过统一的方式处理不同的数据结构（例如容器和范围(C++20 起)）。迭代器库提供了迭代器的定义，同时还提供了迭代器特征、适配器及相关的工具函数。

因为迭代器是指针的抽象，所以它们的语义是 C++ 的指针的大多数语义的泛化。这确保所有接受迭代器的函数模板都可以对普通指针正常工作。

迭代器分类

共有五(C++17 前)六(C++17 起)种迭代器：老式输入迭代器 (LegacyInputIterator) 、老式输出迭代器 (LegacyOutputIterator) 、老式向前迭代器 (LegacyForwardIterator) 、老式双向迭代器 (LegacyBidirectionalIterator) 、老式随机访问迭代器 (LegacyRandomAccessIterator) ，及老式连续迭代器 (LegacyContiguousIterator) (C++17 起)。（对于最基本的迭代器种类，参见老式迭代器 (LegacyIterator) 。）

定义各个迭代器类别的依据并不是迭代器的类型，而是迭代器所支持的操作。这种定义方式意味着，支持必要的操作的任何类型，都可以作为迭代器使用。例如，指针支持老式随机访问迭代器 (LegacyRandomAccessIterator) 要求的所有操作，于是任何需要老式随机访问迭代器 (LegacyRandomAccessIterator) 的地方都可以使用指针。

可以把所有迭代器类别（除了老式输出迭代器 (LegacyOutputIterator) ）组织到一个层级中，其中更强力的迭代器类别（如老式随机访问迭代器 (LegacyRandomAccessIterator) ）支持较不强力的类别（例如老式输入迭代器 (LegacyInputIterator) ）的所有操作。如果迭代器落入这些类别之一且同时满足老式输出迭代器 (LegacyOutputIterator) 的要求，那么它被称为可变 迭代器并且同时 支持输入和输出。非可变迭代器被称为常 迭代器。

提供的所有满足迭代器类别要求的操作都是 constexpr 函数的迭代器被称为 constexpr 迭代器。

(C++20 起)
迭代器类别操作和存储要求
写读自增自减随机访问连续存储
无多趟有多趟
老式迭代器 (LegacyIterator) 需要支持
老式输出迭代器 (LegacyOutputIterator) 需要支持需要支持
老式输入迭代器 (LegacyInputIterator)
支持写操作时是可变迭代器		需要支持需要支持
老式向前迭代器 (LegacyForwardIterator)
同时满足老式输入迭代器 (LegacyInputIterator) 		需要支持需要支持需要支持
老式双向迭代器 (LegacyBidirectionalIterator)
同时满足老式向前迭代器 (LegacyForwardIterator) 		需要支持需要支持需要支持需要支持
老式随机访问迭代器 (LegacyRandomAccessIterator)
同时满足老式双向迭代器 (LegacyBidirectionalIterator) 		需要支持需要支持需要支持需要支持需要支持
 老式连续迭代器 (LegacyContiguousIterator) [1]
同时满足老式随机访问迭代器 (LegacyRandomAccessIterator) 		需要支持需要支持需要支持需要支持需要支持需要支持
  1. ↑ 老式连续迭代器 (LegacyContiguousIterator) 类别只在 C++17 中正式规定，但 std::vector、std::basic_string、std::array，及 std::valarray 的迭代器还有指向 C 数组中的指针在 C++17 前的代码中通常都被处理成独立类别。

注意：支持上方表格其中一行的所有操作的类型并不一定属于对应的迭代器类别，迭代器类别页面中包含了完整的要求列表。

定义

类型与可写性

输入迭代器 i 支持表达式 *i，结果是某个对象类型 T 的值，此类型被称为该迭代器的值类型。

输出迭代器 i 有一个可写入(C++20 前)indirectly_writable 到(C++20 起)该迭代器的类型的非空集合；对于其中的每个类型 T，在 o 是 T 类型的值时表达式 *i = o 合法。

每个定义了相等性的(C++20 前)迭代器类型 X 都有一个对应的有符号整数(C++20 前)整数式(C++20 起)类型，此类型被称为该迭代器的差类型。

可解性与有效性

与指向数组的通常指针保证存在一个指向该数组的尾后元素的指针值一样，任何迭代器类型也保证存在一个指向对应序列的尾后元素的迭代器值。这种值被称为尾后 值。

定义了表达式 *i 的迭代器值 i 被称为可解引用 的值。标准库始终不会假设尾后值可解引用。

迭代器也可以具有不与任何序列关联的奇异 值。大部分表达式对于奇异值的结果未定义，除了：

此时奇异值会和其他值一样被覆写。可解引用的值始终不会是奇异值。

无效 的迭代器是可能持有奇异值的迭代器。

范围

标准库的大部分操作数据结构的算法模板都有使用范围的接口。

对于两个迭代器 i 和 j，当且仅当存在表达式 ++i 的有限次应用序列使得 i == j 时，j 从 i 可及。如果 j 从 i 可及，那么它们指代相同序列中的元素。

范围 是一对指定了计算的开头和结尾的迭代器。范围 [i, i) 是空范围；通常来说，范围 [i, j) 指代数据结构中从 i 指向的元素开始直至（但不包含）j 指向的元素为止的那些元素。

范围 [i, j) 当且仅当 j 从 i 可及时有效。

(C++20 前)

范围 有以下两种表示：

  • [i, s)，由迭代器 i 和哨位 s 组成，指定了计算的开头和结尾（i 和 s 可以具有不同的类型）。
  • i + [​0​, n)，由迭代器 i 和计数 n 组成，指定了计算要应用的开头和元素数量。
迭代器-哨位范围

由迭代器和哨位组成的范围可以比较。[i, s) 在 i == s 时为空；否则 [i, s) 指代数据结构中从 i 指向的元素开始直至（但不包含）首个满足 j == s 的迭代器 j 指向的元素为止的那些元素。

对于迭代器 i 和哨位 s，当且仅当存在表达式 ++i 的有限次应用序列使得 i == s 时，s 从 i 可及。

如果 s 从 i 可及，那么 [i, s) 表示的范围有效。

计数范围

计数范围 i + [​0​, n) 在 n == 0 时为空；否则 i + [​0​, n) 指代数据结构中从 i 指向的元素开始直至（但不包含，如果存在）应用了 n 次 ++i 的结果指向的元素（如果存在）为止的 n 个元素。

计数范围 i + [​0​, n) 当且仅当满足以下任一条件时有效：

  • n == 0
  • 满足以下所有条件：
    • n 是正数，
    • i 可解引用，
    • ++i + [​0​, --n) 有效。
(C++20 起)

将标准库函数应用到无效范围的结果未定义。

迭代器概念 (C++20 起)

C++20 引入了基于概念的新迭代器系统，它与 C++17 迭代器不同。虽然基础分类法保持类似，但单独的迭代器类别的要求有些区别。

在命名空间 std 定义
(C++20)
指定类型通过应用运算符 * 可读
(概念)
(C++20)
指定可向迭代器所引用的对象写入值
(概念)
(C++20)
指定 semiregular 类型能以前后自增运算符自增
(概念)
(C++20)
指定 weakly_incrementable 类型上的自增操作保持相等性，而且该类型为 equality_comparable
(概念)
(C++20)(C++20)
指定类型表现为（有符号）整数类型
(仅用于阐述的概念*)
(C++20)
指定该类型对象可以自增且可以解引用
(概念)
(C++20)
指定类型为某个 input_or_output_iterator 类型的哨位类型
(概念)
(C++20)
指定可对一个迭代器和一个哨位应用 - 运算符，以在常数时间计算其距离
(概念)
(C++20)
指定类型为输入迭代器，即可读取其所引用的值，且可前/后自增
(概念)
(C++20)
指定类型为给定的值类型的输出迭代器，即可向其写入该类型的值，且可前/后自增
(概念)
(C++20)
指定 input_iterator 为向前迭代器，支持相等比较与多趟操作
(概念)
(C++20)
指定 forward_iterator 为双向迭代器，支持向后移动
(概念)
(C++20)
指定 bidirectional_iterator 为随机访问迭代器，支持常数时间内的前进和下标访问
(概念)
(C++20)
指定 random_access_iterator 为连续迭代器，指代内存中连续相接的元素
(概念)

迭代器关联类型 (C++20 起)

在命名空间 std 定义
(C++20)
计算 weakly_incrementable 类型的差类型
(类模板)
(C++20)
计算 indirectly_readable 类型的值类型
(类模板)
(C++20)(C++20)(C++23)(C++20)(C++20)(C++20)
计算迭代器的关联类型
(别名模板)

迭代器原语

为迭代器各项性质提供统一接口
(类模板)
(C++20)
指示迭代器类别的空类类型
(类)
(C++17 弃用)
简化简单的迭代器的必要类型定义的基类
(类模板)

迭代器定制点 (C++20 起)

在命名空间 std::ranges 定义
(C++20)
转换解引用迭代器的结果为其关联的右值引用类型
(定制点对象)
(C++20)
交换两个可解引用对象所引用的值
(定制点对象)

算法概念与工具 (C++20 起)

还提供了为简化常用算法操作的约束而设计的一组概念和相关的工具模板。

在标头 <iterator> 定义
在命名空间 std 定义
间接可调用对象
(C++20)(C++20)
指定可调用类型能以解引用某个 indirectly_readable 类型的结果进行调用
(概念)
(C++20)
指定可调用类型，在以解引用一个 indirectly_readable 类型的结果进行调用时，满足 predicate
(概念)
(C++20)
指定可调用类型，在以解引用两个 indirectly_readable 类型的结果进行调用时，满足 predicate
(概念)
(C++20)
指定可调用类型，在以解引用两个 indirectly_readable 类型的结果进行调用时，满足 equivalence_relation
(概念)
(C++20)
指定可调用类型，在以解引用两个 indirectly_readable 类型的结果进行调用时，满足 strict_weak_order
(概念)
常用算法要求
(C++20)
指定可从 indirectly_readable 类型移动值给 indirectly_writable 类型
(概念)
(C++20)
指定可从 indirectly_readable 类型移动值给 indirectly_writable 类型，且该移动可以通过中间对象进行
(概念)
(C++20)
指定可从 indirectly_readable 类型复制值给 indirectly_writable 类型
(概念)
(C++20)
指定可从 indirectly_readable 类型复制值给 indirectly_writable 类型，且该复制可以通过中间对象进行
(概念)
(C++20)
指定能交换两个 indirectly_readable 类型所引用的值
(概念)
(C++20)
指定能比较两个 indirectly_readable 类型所引用的值
(概念)
(C++20)
指定在原位重排元素的算法的共同要求
(概念)
(C++20)
指定通过复制元素将已排序序列归并到输出序列中的算法的要求
(概念)
(C++20)
指定重排序列为有序序列的算法的共用要求
(概念)
工具
(C++20)
计算在解引用某组 indirectly_readable 类型的结果上调用可调用对象的结果
(别名模板)
(C++20)
用于对接受投影的算法指定约束的辅助模板
(类模板)
(C++26)
计算 indirectly_readable 类型投影后的值类型
(别名模板)

迭代器适配器

逆序遍历的迭代器适配器
(类模板)
(C++14)
创建拥有从实参推出的类型的 std::reverse_iterator
(函数模板)
在容器尾部插入的迭代器适配器
(类模板)
创建拥有从实参推出的类型的 std::back_insert_iterator
(函数模板)
在容器头部插入的迭代器适配器
(类模板)
创建拥有从实参推出的类型的 std::front_insert_iterator
(函数模板)
插入到容器的迭代器适配器
(类模板)
创建拥有从实参推出的类型的 std::insert_iterator
(函数模板)
(C++23)
转换迭代器为常量迭代器的迭代器适配器
(类模板)
(C++23)
计算给定类型的常量迭代器类型
(别名模板)
(C++23)
计算被用于常量迭代器的哨位类型
(别名模板)
(C++23)
创建从实参推断出的类型的 std::const_iterator
(函数模板)
(C++23)
创建从实参推断出的类型的 std::const_sentinel
(函数模板)
(C++11)
解引用结果为右值的迭代器适配器
(类模板)
(C++20)
std::move_iterator 的哨位适配器
(类模板)
(C++11)
创建拥有从实参推出的类型的 std::move_iterator
(函数模板)
(C++20)
适配一个迭代器类型及其哨位为一个公共迭代器类型
(类模板)
(C++20)
用于知晓其范围边界的迭代器的默认哨位
(类)
(C++20)
对到范围结尾距离进行跟踪的迭代器适配器
(类模板)
(C++20)
始终与任何 weakly_incrementable 类型比较都不相等的哨位
(类)

流迭代器

从 std::basic_istream 读取的输入迭代器
(类模板)
写入 std::basic_ostream 的输出迭代器
(类模板)
从 std::basic_streambuf 读取的输入迭代器
(类模板)
写入 std::basic_streambuf 的输出迭代器
(类模板)

迭代器操作

在标头 <iterator> 定义
令迭代器前进给定的距离
(函数模板)
返回两个迭代器间的距离
(函数模板)
(C++11)
令迭代器自增
(函数模板)
(C++11)
令迭代器自减
(函数模板)
(C++20)
令迭代器前进给定的距离或到给定的边界
(算法函数对象)
(C++20)
返回迭代器与哨位间的距离，或范围起始与结尾间的距离
(算法函数对象)
(C++20)
自增迭代器给定的距离或到边界
(算法函数对象)
(C++20)
自减迭代器给定的距离或到边界
(算法函数对象)

范围访问 (C++11 起)

这些非成员函数模板提供对容器、通常数组，及 std::initializer_list 的通用接口。

在标头 <array> 定义
在标头 <deque> 定义
在标头 <flat_map> 定义
在标头 <flat_set> 定义
在标头 <forward_list> 定义
在标头 <inplace_vector> 定义
在标头 <iterator> 定义
在标头 <list> 定义
在标头 <map> 定义
在标头 <regex> 定义
在标头 <set> 定义
在标头 <span> 定义
在标头 <string> 定义
在标头 <string_view> 定义
在标头 <unordered_map> 定义
在标头 <unordered_set> 定义
在标头 <vector> 定义
在命名空间 std 定义
(C++11)(C++14)
返回指向容器或数组起始的迭代器
(函数模板)
(C++11)(C++14)
返回指向容器或数组结尾的迭代器
(函数模板)
(C++14)
返回指向一个容器或数组的逆向迭代器
(函数模板)
(C++14)
返回容器或数组的逆向尾迭代器
(函数模板)
(C++17)(C++20)
返回容器或数组的大小
(函数模板)
(C++17)
检查容器是否为空
(函数模板)
(C++17)
获得指向底层数组的指针
(函数模板)

缺陷报告

下列更改行为的缺陷报告追溯地应用于以前出版的 C++ 标准。

缺陷报告应用于出版时的行为正确行为
CWG 1181C++98数组类型不能为值类型它们能
LWG 208C++98尾后迭代器不会持有奇异值可能会持有奇异值
LWG 278C++98未定义迭代器的有效性定义为始终不持有奇异值
LWG 324C++98输出迭代器具有值类型改成具有可写入类型
LWG 407C++98不能销毁持有奇异值的迭代器可以销毁
LWG 408
(N3066)		C++98不能复制持有奇异值的迭代器它是值初始化的情况下可以
LWG 1185
(N3066)		C++98老式向前迭代器 (LegacyForwardIterator) 、
老式双向迭代器 (LegacyBidirectionalIterator) 和
老式随机访问迭代器 (LegacyRandomAccessIterator)
始终满足老式输出迭代器 (LegacyOutputIterator) 		它们不一定满足
老式输出迭代器 (LegacyOutputIterator)
LWG 1210
(N3066)		C++98迭代器的奇异性和可及性的定义依赖容器改为依赖序列
LWG 3009C++17<string_view> 没有提供范围访问函数模板提供这些模板
LWG 3987C++23<flat_map> 和 <flat_set> 没有提供范围访问函数模板提供这些模板
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