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C++ 前向迭代器

前向迭代器是什么？​

前向迭代器是C++ STL迭代器层次结构中的一种基本迭代器类型，它允许我们单向遍历容器中的元素。与输入迭代器不同，前向迭代器可以多次读取同一个元素，并且它支持多遍算法。想象一下，前向迭代器就像是一个只能向前行走的指针，不能后退。

备注

前向迭代器在STL迭代器分类中位于输入迭代器和双向迭代器之间，提供比输入迭代器更强的功能，但比双向迭代器功能弱一些。

前向迭代器的特性​

  1. 单向移动：只能使用 ++ 运算符向前移动
  2. 可解引用：可以使用 * 操作符访问元素值
  3. 可比较：可以用 == 和 != 比较两个迭代器
  4. 多遍访问：可以多次遍历相同的元素序列
  5. 可默认构造：支持默认构造函数

前向迭代器支持的操作​

下面是前向迭代器支持的基本操作：

cpp
ForwardIterator it;          // 默认构造
ForwardIterator it2(it);     // 复制构造
it = it2;                    // 赋值
*it                          // 解引用，访问元素
it->member                   // 访问元素的成员（等同于(*it).member）
++it                         // 前置递增
it++                         // 后置递增
it == it2                    // 相等比较
it != it2                    // 不等比较

使用前向迭代器的容器​

在STL中，以下容器提供了前向迭代器：

  1. forward_list - 单向链表
  2. unordered_set - 无序集合
  3. unordered_multiset - 无序多重集合
  4. unordered_map - 无序映射
  5. unordered_multimap - 无序多重映射

实际使用示例​

示例1：使用 forward_list 的前向迭代器​

cpp
#include <iostream>
#include <forward_list>

int main() {
    std::forward_list<int> flist = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    std::cout << "forward_list的元素： ";
    
    // 使用前向迭代器遍历
    for (auto it = flist.begin(); it != flist.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    // 查找并修改元素
    for (auto it = flist.begin(); it != flist.end(); ++it) {
        if (*it == 3) {
            *it = 30;
        }
    }
    
    std::cout << "修改后的元素： ";
    for (const auto& elem : flist) {
        std::cout << elem << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

forward_list的元素： 1 2 3 4 5
修改后的元素： 1 2 30 4 5

示例2：使用 unordered_set 的前向迭代器​

cpp
#include <iostream>
#include <unordered_set>
#include <string>

int main() {
    std::unordered_set<std::string> languages = {"C++", "Python", "Java", "JavaScript"};
    
    // 使用前向迭代器遍历
    std::cout << "编程语言列表：\n";
    for (auto it = languages.begin(); it != languages.end(); ++it) {
        std::cout << "- " << *it << "\n";
    }
    
    // 查找特定元素
    auto it = languages.find("Python");
    if (it != languages.end()) {
        std::cout << "找到了：" << *it << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

输出结果：

编程语言列表：
- JavaScript
- Java
- Python
- C++
找到了：Python
警告

由于 unordered_set 是基于哈希表实现的，所以元素的输出顺序可能与插入顺序不同！

前向迭代器的局限性​

虽然前向迭代器很有用，但它也有一些局限性：

  1. 不支持向后移动：不能使用 -- 运算符
  2. 不支持随机访问：不能使用 it + n 或 it[n] 直接访问任意位置的元素
  3. 不保证迭代顺序：对于无序容器，迭代顺序通常不可预测

前向迭代器与其他迭代器的比较​

实际应用场景​

场景1：数据转换​

假设我们有一个存储学生分数的 forward_list，需要将所有不及格的分数（<60）标记为需要补考。

cpp
#include <iostream>
#include <forward_list>
#include <string>

struct StudentScore {
    std::string name;
    int score;
    bool needRetest;
    
    StudentScore(const std::string& n, int s) 
        : name(n), score(s), needRetest(false) {}
};

int main() {
    std::forward_list<StudentScore> scores = {
        {"Alice", 85},
        {"Bob", 55},
        {"Charlie", 70},
        {"David", 45}
    };
    
    // 使用前向迭代器标记不及格的学生
    for (auto it = scores.begin(); it != scores.end(); ++it) {
        if (it->score < 60) {
            it->needRetest = true;
        }
    }
    
    // 显示结果
    std::cout << "学生成绩列表：\n";
    for (const auto& student : scores) {
        std::cout << student.name << ": " << student.score 
                  << (student.needRetest ? " (需要补考)" : "") << "\n";
    }
    
    return 0;
}

输出结果：

学生成绩列表：
Alice: 85
Bob: 55 (需要补考)
Charlie: 70
David: 45 (需要补考)

场景2：单词频率统计​

使用 unordered_map 和前向迭代器来统计一段文本中单词的出现频率。

cpp
#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <string>
#include <sstream>
#include <algorithm>

int main() {
    std::string text = "this is a sample text this is just a sample";
    
    // 使用无序映射和前向迭代器统计单词频率
    std::unordered_map<std::string, int> wordFreq;
    std::istringstream iss(text);
    std::string word;
    
    while (iss >> word) {
        ++wordFreq[word];
    }
    
    // 显示单词频率
    std::cout << "单词频率统计：\n";
    for (auto it = wordFreq.begin(); it != wordFreq.end(); ++it) {
        std::cout << it->first << ": " << it->second << " 次\n";
    }
    
    // 找出出现最多的单词
    auto maxIt = std::max_element(
        wordFreq.begin(), 
        wordFreq.end(),
        [](const auto& a, const auto& b) { 
            return a.second < b.second; 
        }
    );
    
    std::cout << "\n出现最多的单词是: " << maxIt->first 
              << " (" << maxIt->second << " 次)" << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

单词频率统计：
sample: 2 次
just: 1 次
a: 2 次
this: 2 次
is: 2 次

出现最多的单词是: sample (2 次)

自定义前向迭代器​

在某些情况下，你可能需要为自己的数据结构实现前向迭代器。下面是一个简单的例子，为一个自定义的单向链表实现前向迭代器：

cpp
#include <iostream>
#include <iterator>
#include <cstddef>

// 简单的单向链表节点
template<typename T>
struct Node {
    T data;
    Node* next;
    Node(const T& d, Node* n = nullptr) : data(d), next(n) {}
};

// 简单的单向链表
template<typename T>
class SimpleList {
private:
    Node<T>* head;
    
public:
    // 前向迭代器实现
    class iterator {
    private:
        Node<T>* current;
        
    public:
        // 迭代器特性标签定义
        using iterator_category = std::forward_iterator_tag;
        using value_type = T;
        using difference_type = std::ptrdiff_t;
        using pointer = T*;
        using reference = T&;
        
        // 构造函数
        iterator(Node<T>* node = nullptr) : current(node) {}
        
        // 解引用操作符
        reference operator*() const { return current->data; }
        pointer operator->() const { return &(current->data); }
        
        // 前置递增
        iterator& operator++() {
            current = current->next;
            return *this;
        }
        
        // 后置递增
        iterator operator++(int) {
            iterator tmp = *this;
            current = current->next;
            return tmp;
        }
        
        // 比较操作符
        bool operator==(const iterator& other) const {
            return current == other.current;
        }
        
        bool operator!=(const iterator& other) const {
            return current != other.current;
        }
    };
    
    // 构造函数
    SimpleList() : head(nullptr) {}
    
    // 析构函数
    ~SimpleList() {
        Node<T>* current = head;
        while (current) {
            Node<T>* next = current->next;
            delete current;
            current = next;
        }
    }
    
    // 添加元素到链表头部
    void push_front(const T& value) {
        head = new Node<T>(value, head);
    }
    
    // 迭代器方法
    iterator begin() { return iterator(head); }
    iterator end() { return iterator(nullptr); }
};

int main() {
    SimpleList<int> myList;
    
    // 添加一些元素
    myList.push_front(5);
    myList.push_front(4);
    myList.push_front(3);
    myList.push_front(2);
    myList.push_front(1);
    
    // 使用我们的前向迭代器遍历列表
    std::cout << "链表元素: ";
    for (auto it = myList.begin(); it != myList.end(); ++it) {
        std::cout << *it << " ";
    }
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

链表元素: 1 2 3 4 5

总结​

前向迭代器是STL迭代器家族中的重要成员，它提供了单向遍历容器的能力。虽然它比双向迭代器和随机访问迭代器功能少，但在处理单向链表和基于哈希表的容器时非常有用。

前向迭代器的主要特性是：

  • 只能向前移动
  • 支持多次读取同一元素
  • 可以进行相等性比较
  • 支持默认构造

掌握前向迭代器有助于我们更好地使用STL容器和算法，特别是在处理 forward_list 和无序关联容器时。

练习​

  1. 创建一个 std::forward_list<int>，填充一些数字，然后使用前向迭代器找出并删除所有偶数。
  2. 实现一个函数，使用前向迭代器在 std::unordered_set<std::string> 中查找最长的字符串。
  3. 扩展上面的 SimpleList 类，添加一个 insert_after 方法，该方法接受一个迭代器和一个值，在迭代器指向的元素之后插入新值。
  4. 使用 std::unordered_map 实现一个简单的缓存系统，可以存储和检索键值对。利用前向迭代器实现一个"清理最旧项"的功能。

进一步阅读​

  • C++ 参考文档中关于迭代器的部分
  • 《Effective STL》第三章：迭代器
  • 《C++ Standard Library》第六章：STL迭代器

通过这些实践和深入学习，你将能够熟练掌握前向迭代器，并在日常编程中有效地使用它们！