实现C++自定义容器迭代器需定义嵌套的iterator和const_iterator类,重载解引用、递增、比较等操作符,并提供begin()/end()方法,使容器支持STL算法与范围for循环。
在C++中实现类的迭代器接口,核心在于为你的自定义容器类定义一对嵌套的迭代器类型——
iterator
和
const_iterator
,并实现它们所需的各种操作符重载(如
*
、
->
、
++
、
==
、
!=
),同时在容器类本身提供
begin()
和
end()
方法来返回这些迭代器实例。这让你的容器能够与标准库算法无缝协作,并支持C++11引入的范围for循环。
解决方案
要让一个自定义C++容器拥有迭代器接口,我们需要完成几个关键步骤。这不单单是语法上的要求,更是设计哲学上的考量,让你的容器真正融入C++的生态。我通常会从一个简单的数组封装类
MyVector
开始讲解,因为它足够直观,能很好地展示迭代器的实现原理。
#include <cstddef> // For std::ptrdiff_t #include <iterator> // For std::iterator_traits (及其相关概念) #include <stdexcept> // For std::out_of_range #include <algorithm> // 用于演示 std::sort, std::for_each template <typename T> class MyVector { private: T* data; size_t current_size; size_t capacity; void reallocate(size_t new_capacity) { // 一个简单的重新分配逻辑,实际中可能更复杂,例如处理异常安全 T* new_data = new T[new_capacity]; for (size_t i = 0; i < current_size; ++i) { new_data[i] = data[i]; // 浅拷贝,实际应考虑深拷贝或移动语义 } delete[] data; data = new_data; capacity = new_capacity; } public: MyVector() : data(nullptr), current_size(0), capacity(0) {} MyVector(size_t initial_capacity) : current_size(0), capacity(initial_capacity) { data = new T[capacity]; } ~MyVector() { delete[] data; } // 简化版push_back void push_back(const T& value) { if (current_size == capacity) { reallocate(capacity == 0 ? 1 : capacity * 2); } data[current_size++] = value; } T& operator[](size_t index) { if (index >= current_size) { throw std::out_of_range("Index out of bounds"); } return data[index]; } const T& operator[](size_t index) const { if (index >= current_size) { throw std::out_of_range("Index out of bounds"); } return data[index]; } size_t size() const { return current_size; } bool empty() const { return current_size == 0; } // --- 迭代器实现 --- class iterator { public: // 定义迭代器特性,这是与STL算法交互的关键 using iterator_category = std::random_access_iterator_tag; // 随机访问迭代器 using value_type = T; using difference_type = std::ptrdiff_t; using pointer = T*; using reference = T&; private: pointer ptr; // 迭代器内部通常只存储一个指向元素的指针 public: // 构造函数 iterator(pointer p = nullptr) : ptr(p) {} // 解引用操作符:访问当前元素 reference operator*() const { return *ptr; } pointer operator->() const { return ptr; } // 前缀递增:++it iterator& operator++() { ++ptr; return *this; } // 后缀递增:it++ iterator operator++(int) { iterator temp = *this; // 保存当前状态 ++ptr; // 递增 return temp; // 返回递增前的状态 } // 前缀递减:--it (双向迭代器需要) iterator& operator--() { --ptr; return *this; } // 后缀递减:it-- (双向迭代器需要) iterator operator--(int) { iterator temp = *this; --ptr; return temp; } // 随机访问操作符 (随机访问迭代器需要) iterator operator+(difference_type n) const { return iterator(ptr + n); } iterator operator-(difference_type n) const { return iterator(ptr - n); } difference_type operator-(const iterator& other) const { return ptr - other.ptr; } iterator& operator+=(difference_type n) { ptr += n; return *this; } iterator& operator-=(difference_type n) { ptr -= n; return *this; } reference operator[](difference_type n) const { return ptr[n]; } // 比较操作符 bool operator==(const iterator& other) const { return ptr == other.ptr; } bool operator!=(const iterator& other) const { return ptr != other.ptr; } bool operator<(const iterator& other) const { return ptr < other.ptr; } bool operator>(const iterator& other) const { return ptr > other.ptr; } bool operator<=(const iterator& other) const { return ptr <= other.ptr; } bool operator>=(const iterator& other) const { return ptr >= other.ptr; } }; // const_iterator 类似 iterator,但返回 const 引用,不允许修改元素 class const_iterator { public: using iterator_category = std::random_access_iterator_tag; using value_type = T; using difference_type = std::ptrdiff_t; using pointer = const T*; using reference = const T&; private: pointer ptr; public: const_iterator(pointer p = nullptr) : ptr(p) {} // 允许从非const迭代器隐式转换,这是为了让const MyVector::begin()返回const_iterator const_iterator(const iterator& other) : ptr(other.operator->()) {} reference operator*() const { return *ptr; } pointer operator->() const { return ptr; } const_iterator& operator++() { ++ptr; return *this; } const_iterator operator++(int) { const_iterator temp = *this; ++ptr; return temp; } const_iterator& operator--() { --ptr; return *this; } const_iterator operator--(int) { const_iterator temp = *this; --ptr; return temp; } const_iterator operator+(difference_type n) const { return const_iterator(ptr + n); } const_iterator operator-(difference_type n) const { return const_iterator(ptr - n); } difference_type operator-(const const_iterator& other) const { return ptr - other.ptr; } const_iterator& operator+=(difference_type n) { ptr += n; return *this; } const_iterator& operator-=(difference_type
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