细说C++反向迭代器：原理与用法

文章目录

一、引言
二、反向迭代器的原理与实现细节
三、模拟实现C++反向迭代器
- - 反向迭代器模板类的设计
  - 反向迭代器的使用示例与测试

一、引言

迭代器与反向迭代器的概念引入

迭代器（Iterator）是C++标准模板库（STL）中的一个核心概念，它提供了一种访问容器中元素的方式，而无需了解容器底层的实现细节。迭代器就像是一个指向容器中元素的指针，通过它可以遍历容器中的元素，进行读取、修改或删除操作。

反向迭代器（Reverse Iterator）则是迭代器的一个变种，它允许我们从后向前遍历容器中的元素。反向迭代器的出现极大地丰富了C++中容器的遍历方式，特别是在需要逆向操作容器元素时，提供了极大的便利。

反向迭代器在C++中的重要作用

反向迭代器在C++中扮演着至关重要的角色。在处理一些需要逆向遍历容器的场景时，如从后向前打印数组元素、逆序遍历链表节点等，使用反向迭代器可以大大简化代码逻辑，提高代码的可读性和可维护性。此外，反向迭代器还使得一些复杂的算法实现变得更加简单和直观。

本文将详细介绍C++中反向迭代器的概念、原理和使用方法，并通过模拟实现一个简单的反向迭代器来加深读者对反向迭代器的理解。通过本文的学习，读者将能够掌握反向迭代器的基本用法，并能够在实际编程中灵活运用反向迭代器来处理各种需要逆向遍历容器的场景。

二、反向迭代器的原理与实现细节

反向迭代器的内部机制

反向迭代器是一种特殊的迭代器，它的内部机制基于容器的正向迭代器。通常，反向迭代器在内部持有一个指向容器末尾之后位置的迭代器，或者一个指向容器第一个元素之前的迭代器，这取决于容器的具体实现。当对反向迭代器进行自增或自减操作时，它实际上是在对内部的正向迭代器进行相反的操作，从而实现从后向前的遍历。因此我们在模拟实现反向迭代器时，通常以原容器的正向迭代器为成员，所谓 reverse_iterator ，可以将迭代器的行进方向逆转，使原本应该前进的 operator++ 变成了后退操作， operator--变成了前进操作。

反向迭代器的设计与实现要点

设计并实现一个反向迭代器需要考虑以下几个要点：

迭代器类型的选择：反向迭代器需要基于某种正向迭代器进行实现。因此，首先需要确定所针对的容器类型及其对应的正向迭代器类型。
解引用与箭头操作符的重载：反向迭代器需要重载解引用操作符（*）和箭头操作符（->），以便能够正确地访问容器中的元素。这通常涉及对内部正向迭代器的相应操作，以确保访问的是正确的元素。
反向遍历的实现：反向迭代器的核心功能是从后向前遍历容器。这通常通过调整正向迭代器的位置来实现。例如，在每次自增操作中，反向迭代器实际上会使内部的正向迭代器向前移动一个位置，从而模拟出从后向前的遍历效果。为了配合迭代器区间的“前闭后开”，我们通常按下图方式设计反向迭代器：

反向迭代器与STL容器的结合使用

在C++标准模板库中，许多容器都提供了反向迭代器的支持。例如，vector、list、string等容器都提供了rbegin()和rend()成员函数，用于获取指向容器末尾和末尾之后位置的反向迭代器。通过这些反向迭代器，我们可以方便地实现从后向前的遍历操作。

在实际使用中，我们可以将反向迭代器与范围基于的for循环（C++11及以后版本）或传统的while循环结合使用，来处理需要逆向遍历容器的场景。反向迭代器的使用方式与正向迭代器类似，只是遍历的方向相反而已。

三、模拟实现C++反向迭代器

在C++中，反向迭代器是一种特殊的迭代器，它允许我们按照相反的顺序遍历容器中的元素。在本节中，我们将模拟实现一个通用的反向迭代器模板类，并详细解释其设计、实现以及使用示例。

反向迭代器模板类的设计

为了设计一个通用的反向迭代器模板类，我们需要考虑以下几个关键部分：

模板参数的选择与意义：

在ReverseIterator类的模板参数中，Iterator、Ref和Ptr的选择和它们各自的意义如下：
- Iterator：Iterator是一个模板参数，它代表了正向迭代器的类型。这个类型通常是一个STL迭代器或者类似的自定义迭代器，用于遍历容器（如vector、list等）。在ReverseIterator中，Iterator类型用于内部存储，并且在进行反向遍历的时候，它将被用来模拟反向迭代的行为。
- Ref是另一个模板参数，用于指定operator*的返回类型。它应该是一个引用类型，这样operator*才能返回当前反向迭代器指向的元素的引用。返回引用允许用户直接修改通过反向迭代器访问的元素的值。
在大多数情况下，Ref可以简单地设置为Iterator的value_type&，其中value_type是正向迭代器所指向元素的类型。例如，如果Iterator是vector<int>::iterator，那么Ref就应该是int&。
- Ptr是第三个模板参数，用于指定operator->的返回类型。它应该是一个指针类型，这样operator->才能返回当前反向迭代器指向的元素的指针。这个指针类型通常用于通过->操作符访问元素的成员。
同样地，Ptr可以设置为Iterator的value_type*。对于上面的vector<int>::iterator示例，Ptr就是int*。
```
template<class Iterator, class Ref, class Ptr>
class ReverseIterator {
public:
    typedef ReverseIterator<Iterator, Ref, Ptr> Self;
	//...
}
```
成员变量与构造函数的实现：
- 成员变量_it：存储正向迭代器的实例，用于实现反向遍历。 Iterator _it; // 存储正向迭代器
- 构造函数：接受一个正向迭代器作为参数，初始化成员变量_it。 ReverseIterator(Iterator it) : _it(it) {}
反向迭代器核心操作符的重载：
- 自增与自减操作符：operator++和operator--。反向迭代器的自增操作应模拟反向遍历，因此operator++应使内部的正向迭代器向前移动一位，而operator--则应使正向迭代器向后移动一位。
```
Self& operator++() {
    --_it; // 使正向迭代器向前移动一位，模拟反向迭代器的自增
    return *this;
}

Self& operator--() {
    ++_it; // 使正向迭代器向后移动一位，模拟反向迭代器的自减
    return *this;
}
```
- 解引用与箭头操作符：operator*和operator->。这些操作符应返回当前反向迭代器指向的元素的引用或指针。
```
Ref operator*() const {  
    Iterator cur = _it;  
    return *--cur; // 返回当前反向迭代器指向的元素的引用  
}  
  
Ptr operator->() const {  
    return &(this->operator*()); // 返回当前反向迭代器指向的元素的指针  
}
```
operator*成员函数用于获取反向迭代器当前指向的元素的引用。它首先创建一个_it的副本cur，以避免修改原始的_it。然后，它递减cur以模拟反向迭代器的行为（因为_it实际上是正向迭代器）。递减后，cur指向了当前反向迭代器所代表的元素，并返回这个元素的引用。

operator->成员函数用于获取当前反向迭代器指向的元素的指针。它通过调用operator*来获取元素的引用，并取这个引用的地址来得到指针。这允许我们像使用普通指针一样，通过->操作符来访问对象的成员。

例如，如果_it指向vector的末尾（end()），那么cur递减后就会指向最后一个元素。每次递增反向迭代器时，_it实际上是递减的，所以每次调用operator*时，我们都需要递减cur来获取正确的元素。operator->成员函数用于获取当前反向迭代器指向的元素的指针。它通过调用operator*来获取元素的引用，并取这个引用的地址来得到指针。这允许我们像使用普通指针一样，通过->操作符来访问对象的成员。

需要注意的是，这种实现假设Iterator（即正向迭代器）支持operator*和operator->，并且返回的类型与Ref和Ptr兼容。在标准库中的迭代器类型中，这通常是成立的。但对于自定义迭代器类型，需要确保这些操作符的行为符合预期。
- 比较操作符：operator!=和operator==。用于比较两个反向迭代器是否指向相同的位置。
```
bool operator!=(const Self& s) const { return _it != s._it; }
bool operator==(const Self& s) const { return _it == s._it; }
```

反向迭代器的使用示例与测试

为了测试我们实现的反向迭代器，我们可以使用一个简单的整数数组作为示例，并创建一个基于该数组的反向迭代器：

#include <iostream>
#include <iterator>
#include <vector>
 
using namespace std;
int main() {
    std::vector<int> vec = { 1, 2, 3, 4, 5 };
    ReverseIterator<vector<int>::iterator,int&,int*> rbegin(vec.end());
    ReverseIterator<vector<int>::iterator, int&, int*> rend(vec.begin());

    // 使用基于范围的for循环遍历反向迭代器
    for (ReverseIterator<vector<int>::iterator, int&, int*> it = rbegin; it != rend; ++it) {
        cout << *it << " "; // 输出：5 4 3 2 1 
    }
    cout << endl;
    ReverseIterator<vector<int>::iterator, int&, int*> it = rbegin;
    // 测试自增和自减操作符
    it++; // 现在it指向4
    cout << *it << endl; // 输出：4
    --it; // 现在it又指向5
    cout << *it << endl; // 输出：5

    // 测试比较操作符
    if (it != rend) 
        cout << "it is not equal to rend" << endl;
    return 0;
}