C++ 流迭代器

C++流迭代器

流迭代器(Stream Iterators)是C++标准模板库(STL)中一类特殊的迭代器适配器，用于将输入/输出流当作序列容器来处理。它们允许开发者使用迭代器接口从流中读取数据或向流中写入数据，从而与STL算法无缝集成。

核心概念

流迭代器分为两种主要类型：

• istream_iterator：输入流迭代器，用于从输入流(如cin或文件流)读取数据
• ostream_iterator：输出流迭代器，用于向输出流(如cout或文件流)写入数据

流迭代器的典型特征包括：

• 单向迭代（只能前进）
• 不提供随机访问能力
• 输入迭代器只能读取，输出迭代器只能写入

输入流迭代器(istream_iterator)

输入流迭代器从输入流中提取数据，其模板声明为：

template <class T, class charT = char, class traits = char_traits<charT>, class Distance = ptrdiff_t>
class istream_iterator;

基本用法示例

#include <iostream>
#include <iterator>
#include <vector>

int main() {
    // 从标准输入读取整数，直到遇到非整数或EOF
    std::istream_iterator<int> input_it(std::cin);
    std::istream_iterator<int> eof; // 默认构造表示流结束
    
    std::vector<int> numbers;
    
    // 使用流迭代器填充vector
    while (input_it != eof) {
        numbers.push_back(*input_it++);
    }
    
    // 输出读取的内容
    std::cout << "Read " << numbers.size() << " numbers:\n";
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    return 0;
}

输入示例：

10 20 30 40 x

输出示例：

Read 4 numbers:
10 20 30 40 

工作原理

• 当创建istream_iterator时，它会立即尝试从流中读取第一个值
• 每次解引用(*)操作返回当前缓存的值
• 递增(++)操作会读取下一个值
• 默认构造的迭代器作为流结束标记

输出流迭代器(ostream_iterator)

输出流迭代器向输出流中插入数据，其模板声明为：

template <class T, class charT = char, class traits = char_traits<charT>>
class ostream_iterator;

基本用法示例

#include <iostream>
#include <iterator>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
    
    // 创建输出流迭代器，指定cout为输出流，分隔符为", "
    std::ostream_iterator<int> output_it(std::cout, ", ");
    
    // 使用流迭代器输出vector内容
    for (int num : vec) {
        *output_it++ = num; // 等价于 std::cout << num << ", ";
    }
    
    std::cout << "\n";
    return 0;
}

输出示例：

1, 2, 3, 4, 5, 

工作原理

• 赋值操作(=)会将值写入输出流
• 递增操作(++)不做实际工作，仅为保持接口一致性
• 可以指定可选的分隔符字符串，在每次写入后输出

流迭代器与STL算法结合

流迭代器的真正威力在于与STL算法的结合使用：

文件复制示例

#include <fstream>
#include <iterator>
#include <algorithm>

int main() {
    std::ifstream input_file("input.txt");
    std::ofstream output_file("output.txt");
    
    // 使用流迭代器复制文件内容
    std::istream_iterator<char> input_it(input_file);
    std::istream_iterator<char> eof;
    std::ostream_iterator<char> output_it(output_file);
    
    std::copy(input_it, eof, output_it);
    
    return 0;
}

数值处理管道

#include <iostream>
#include <iterator>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <numeric>

int main() {
    // 从标准输入读取双精度数
    std::istream_iterator<double> input_it(std::cin);
    std::istream_iterator<double> eof;
    
    // 计算输入数值的平均值
    double sum = std::accumulate(input_it, eof, 0.0);
    int count = std::distance(input_it, eof);
    
    std::cout << "Average: " << (sum / count) << "\n";
    
    return 0;
}

高级应用

自定义类型的流迭代

要使自定义类型支持流迭代器，需要重载<<和>>运算符：

#include <iostream>
#include <iterator>
#include <vector>

struct Point {
    double x, y;
    
    friend std::istream& operator>>(std::istream& is, Point& p) {
        return is >> p.x >> p.y;
    }
    
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Point& p) {
        return os << "(" << p.x << ", " << p.y << ")";
    }
};

int main() {
    std::vector<Point> points;
    
    // 从标准输入读取点
    std::copy(std::istream_iterator<Point>(std::cin),
              std::istream_iterator<Point>(),
              std::back_inserter(points));
    
    // 输出所有点
    std::copy(points.begin(), points.end(),
              std::ostream_iterator<Point>(std::cout, "\n"));
    
    return 0;
}

输入示例：

1.0 2.0
3.5 4.2

输出示例：

(1.0, 2.0)
(3.5, 4.2)

性能考虑

• 流迭代器通常比直接流操作稍慢，因为增加了抽象层
• 对于大量数据，考虑使用缓冲区或直接流操作
• 在性能关键代码中应进行基准测试

常见错误与陷阱

1. 悬空迭代器：流被销毁后继续使用关联的流迭代器 2. 状态检查：忘记检查流状态可能导致无限循环 3. 类型不匹配：流数据类型与迭代器模板参数不匹配 4. 多次解引用：输入流迭代器每次解引用都会导致值被读取

总结表

特性	istream_iterator	ostream_iterator
方向	输入	输出
可解引用	是	否(但可赋值)
可递增	是	是(无实际效果)
结束标记	默认构造的迭代器	无
典型用途	从流读取数据	向流写入数据

进一步学习

• 结合std::copy和其他STL算法使用流迭代器
• 探索istreambuf_iterator和ostreambuf_iterator处理原始字符流
• 研究如何将流迭代器与并行算法结合使用(C++17及以上)