The C++ standard library(侯捷/孟岩译) 07--迭代器

7.1 迭代器头文件

所有容器定义各自的迭代器类型，使用某容器迭代器时不需包含特定文件。
  但有些迭代器，如逆向迭代器，被定义于头文件<iterator>中。

7.2 iterator categories

p7-1.png

t7-1.png

7.2.1 input iterator

input iterator只能一次一个地向前读取元素。
一旦input stream读入一个字后，下次读取时就返回另一个字。

t7-2.png

使用前置运算性能更好。

7.2.2 output iterator

t7-3.png

note:output iterator无comparison操作，无法检验output迭代器是否有效或“写入”是否成功。

7.2.3 forward iterator

forward iterator是input iterator的全部功能和部分output iterator功能。

t7-4.png

与input/output iterator不同，forward iterator能多次指向同一群集的同一元素，并能进行多次处理。

output iterator不支持检查是否到达序列尾端。

对forward 迭代器解引用时需确保其有效性。

7.2.4 bidirectional iterator

bidirectional iterator在forward iterator基础上增加了对逆向遍历的支持，即支持递减操作符。

t7-5.png

7.2.5 random access iterator

random access iterator在bidirectional iterator基础上支持随机存取。即支持“迭代器算术运算”。
以下对象/类型支持random access iterator:

可随机存取的容器(vector/deque)
string (字符串，string ，wstring)
一般array(指针)

t7-6.png

// 说明random access iterator的特殊方法
// iter/itercat.cpp

#include <vector>
#include <iostream>
using namespace std;

int main()
{
    vector<int> col1;

    // insert elements from -3 to 9
    for (int i = -3; i <= 9; ++i)
    {
        col1.push_back(i);
    }

    /* print number of elements by processing the distance between beginning and end
     * - NOTE: uses operator- for iterators
     */
    cout << "number/distance: " << col1.end() - col1.begin() << endl;

    /* print all elements
     * - NOTE: uses operator < instead of operator !=
     */
    vector<int>::iterator pos;
    for (pos = col1.begin(); pos < col1.end(); ++pos)
    {
        cout << *pos << ' ';
    }
    cout << endl;

    /* print all elements 
     * - NOTE: uses operator[] instead of operator *
     */
    for (int i = 0; i < col1.size(); ++i)
    {
        cout << col1.begin()[i] << ' ';
    }
    cout << endl;

    /* print every second element
     * - NOTE: uses operator +=
     */
    for (pos = col1.begin(); pos < col1.end() - 1; pos += 2)
    {
        cout << *pos << ' ';
    }
    cout << endl;
}

程序说明：有NOTE标识的操作只适用于random access iterator。

output:

itercat.png

7.2.6 vector迭代器increment / decrement

一般可递增或递减暂时性iterator，但对于vector/string则不行。

eg:
vector<int> col;
//...
if (col.size() > 1){
    sort(++col.begin(), col.end() );
}

通常编译sort()会失败，若换deque取代vector则可通过编译，
  有时vector也可通过编译——取决于vector具体实现。

为保证可移植性，应使用辅助对象，相关结构改成：
if (col.size()  > 1){
    vector<int>::iterator beg = col.begin();
    sort(++beg, col.end() );
}

主要原因：vector iterator常被实现为一般指针，C++不允许修改任何基本类型(含指针)的暂时值，对struct/class则可以。

7.3 迭代器相关辅助函数

C++标准库为迭代器提供三个辅助函数：advance()、distance()、iter_swap()。

7.2.1 advance() 可使迭代器前进/后退

#include <iterator>
void advance (InputIterator& pos, Dist n)

使input iterator前进/后退 n个元素；
对bidirectional/random access iterator，n可为负值表后退；
Dist是template类型。通常 是整数，因为会调用<、++、--等，及和0比较；

不检查迭代器是否超过end()，
  因为迭代器通常不知道其所操作的容器。

对random access iterator，advance()调用pos+=n，
  对其它类型迭代器则调用++pos或--pos共n次。

若希望程序能方便更换容器和迭代器种类，应用advance()而不是operator+=。

但对于不提供random access iterator的容器，性能会变差。
  另，advance()无返回值，operator+=有返回值，后者更强大。

eg:
// advance()运用示例
// iter/advance1.cpp

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    list<int> col1;

    // insert elements from 1 to 9
    for (int i = 1; i <= 9; ++i)
    {
        col1.push_back(i);
    }

    list<int>::iterator pos = col1.begin();

    // print actual element
    cout << *pos << endl;

    // step one element backward
    advance (pos , -1);

    // print actual element
    cout << *pos << endl;

    // step three element forward
    advance (pos , 3);

    // print actual element
    cout << *pos << endl;
}

output:

advance1.png

7.3.2 distance()处理迭代器间的距离

#include <iterator>
Dist distance (InputIterator pos1, InputIterator pos2)

返回input iterator pos1和pos2的距离；
pos1和pos2须指向同一容器；
若不是random access iterator，则从pos1须能到达pos2；
返回值Dist类型有迭代器决定：iterator_traits<InputIterator>::difference_type

对于random iterator直接返回pos2-pos1，
  对于其它iterator则不断递增pos1直到pos2止，然后返回递增次数。

eg:
// distance()示例
// iter/distance.cpp

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    list<int> col1;

    // insert elements from -3 to 9
    for (int i = -3; i <= 9; ++i)
    {
        col1.push_back(i);
    }

    // search elements with value 5
    list<int>::iterator pos;
    pos = find(col1.begin(), col1.end(),    // range
            5); // value

    if (pos != col1.end() )
    {
        // process and print difference from the beginning 
        cout << "difference between beginning and 5: "
            << distance(col1.begin(), pos) << endl;
    }
    else
    {
        cout << "5 not found" << endl;
    }
}

output:

distance.png

同advance()，若希望方便更换容器类型和迭代器类型，应用distance()而不是operator-。
对non-random iterator，当pos1在pos2之后时，会导致未定义行为。

7.3.3 iter_swap()可交换两迭代器所指内容

#include <algorithm>
void iter_swap (ForwardIterator1  pos1, ForwardIterator2  pos2)
交换pos1和pos2所指的值；
pos1和pos2的类型不必相同但所指的两个值必须可相互赋值。

eg:
// iter/swap1.cpp

#include <iostream>
#include <list>
#include "../stl/print.hpp"
using namespace std;

int main()
{

    list<int> col1;

    // insert elements from 1 to 9
    for (int i = 1; i <= 9; ++i)
    {
        col1.push_back(i);
    }

    PRINT_ELEMENTS(col1);

    // swap first and second value
    iter_swap (col1.begin(), ++col1.begin());

    PRINT_ELEMENTS(col1);

    // swap first and last value
    iter_swap(col1.begin(), --col1.end());

    PRINT_ELEMENTS(col1);
}

output:

swap1.png

7.4 Iterator adapter

此类特殊迭代器使得算法能够以reverse mode / insert mode进行工作，也可和stream搭配工作。

7.4.1 reverse iterator

reverse iterator是一种配接器，重定义递增、递减运算，使其行为正好相反。

// iter/reviter1.cpp

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>
using namespace std;

void print (int elem)
{
    cout << elem << ' ';
}

int main()
{
    list<int> col1;

    // insert elements from 1 to 9
    for (int i = 1; i <= 9; ++i)
    {
        col1.push_back(i);
    }

    // print all elements in normal order
    for_each (col1.begin(), col1.end(),     // range
            print); // operation
    cout << endl;

    // print all elements in reverse order
    for_each (col1.rbegin(), col1.rend(),   // range
            print); // operation
    cout << endl;
}

output:

reviter1.png

迭代器和逆向迭代器
可将一般迭代器转换为reverse iterator，但那个迭代器须可双向移动。且，转换前后迭代器的逻辑位置发生了变化。

// iter/reviter2.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    vector<int> col1;

    // insert elements from 1 to 9
    for (int i = 1; i <= 9; ++i)
    {
        col1.push_back(i);
    }

    // find position of element with value 5
    vector<int>::iterator pos;
    pos = find (col1.begin(), col1.end(), 5);

    // print value to which iterator pos refers
    cout << "pos: " << *pos << endl;

    // convert iterator to reverse iterator rpos
    vector<int>::reverse_iterator rpos(pos);

    // print value to which reverse iterator rpos refers
    cout << "rpos: " << *rpos << endl;
}

output:

reviter2.png

迭代器转换为reverse iterator后逻辑位置变化的原因：区间半开性，即实际上reverse iterator倒置了半开原则。

p7-3.png

p7-4.png

rbegin() 即 container::reverse_iterator(end() )，
rend() 即 container::reverse_iterator(begin() )。
但若是一对迭代器定义的区间，变换操作就很简单且元素有效。

// iter/reviter3.cpp

#include <iostream>
#include <deque>
#include <algorithm>
using namespace std;

void print(int elem)
{
    cout << elem << ' ';
}

int main()
{
    deque<int> col1;

    // insert elements from 1 to 9
    for (int i = 1; i <= 9; ++i)
    {
        col1.push_back(i);
    }

    // find position of element with value 3
    deque<int>::iterator pos1;
    pos1 = find (col1.begin(), col1.end(), 2);

    // find positon of element with value 7
    deque<int>::iterator pos2;
    pos2 = find (col1.begin(), col1.end(), 7);
    
    // print all elements in range [pos1, pos2)
    for_each (pos1, pos2, print);
    cout << endl;

    // convert iterator to reverse iterator
    deque<int>::reverse_iterator rpos1(pos1);
    deque<int>::reverse_iterator rpos2(pos2);

    // print all elements in range [pos1, pos2) in reverse order
    for_each (rpos2, rpos1, print);
    cout << endl << endl;

    for_each (rpos1, rpos2, print);
    cout << endl;
}

output：

reviter3.png

base()将reverse iterator转换为一般迭代器
base()函数可见STL源码剖析。

// iter/reviter4.cpp

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>
using namespace std;

int main()
{
    list<int> col1;

    // insert elements from 1 to 9
    for (int i = 1; i <= 9; ++i)
    {
        col1.push_back(i);
    }

    // find position of element with value 5
    list<int>::iterator pos;
    pos = find (col1.begin(), col1.end(), 5);

    // print value of the element
    cout << "pos: " << *pos << endl;

    // convert iterator to reverse iterator
    list<int>::reverse_iterator rpos(pos);

    // print value of the element to whcih the reverse iterator refers
    cout << "rpos: " << *rpos << endl;

    // convert reverse iterator back to normal iterator
    list<int>::iterator rrpos;
    rrpos = rpos.base();

    // print value of the element to which the normal iterator refers
    cout << "rrpos: " << *rrpos << endl;
}

output：

reviter4.png

7.4.2 insert iterator

也称为inserter。通过inserter，算法可insert而非overwrite。
inserter隶属于output iterator，故只提供assignment。

通常算法会赋值给iterator，如copy()算法：
namespace std
{
    template<class Inputiterator, class Outputiterator>
    Outputiterator copy (Inputiterator from_pos,  // beginning of source
                        Inputiterator from_end,  // end of source
                        OutputIterator to_pos)  // beginning of dest
    {
        while (from_pos != from_end)
        {
            *to_pos = *from_pos;  / copy value
            ++from_pos;  // increment iterator
            ++to_pos;
        }
    }
}

note: *to_pos = value;语句，insert iterator将此类赋值操作转化为插入操作。
    对于insert iterator的转化过程：
      首先operator* 返回iterator当前位置(insert iterator中视为一个 no-op，只简单传回*this。)，
      然后operator=赋值(调用容器的push_back()/push_front()/insert() )。

t7-7.png

insert iterator种类

t7-8.png

由于push_back()只存在于vector/deque/list/string中，故C++标准库中只有这些容器支持back_inserter。

// iter/backins.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include "../stl/print.hpp"
using namespace std;

int main()
{
    vector<int> col1;

    // create back inserter for col1
    // - inconvenient way
    back_insert_iterator<vector<int> > iter(col1);

    // insert element with the usual iterator interface
    *iter = 1;
    iter++;
    *iter = 2;
    iter++;
    *iter = 3;

    PRINT_ELEMENTS(col1);

    // create back inserter and insert elements
    // - convenient way
    back_inserter(col1) = 44;
    back_inserter(col1) = 55;

    PRINT_ELEMENTS(col1);

    // use back inserter to append all elements again
    // - reverse enough memory to avoid realllocation
    col1.reserve(2*col1.size() );
    copy(col1.begin(), col1.end(),  // source
            back_inserter(col1) );  // destination

    PRINT_ELEMENTS(col1);
}

output:

backins.png

同理push_front()只在deque/list中有实现，故front_inserter()只支持deque/list。

// iter/frontins.cpp

#include <iostream>
#include <list>
#include <algorithm>
#include "../stl/print.hpp"
using namespace std;

int main()
{
    list<int> col1;

    // create front inserter for col1
    // - inconvenient way
    front_insert_iterator<list<int> > iter(col1);

    // insert elements with the usual iterator interface
    *iter = 1;
    iter++;
    *iter = 2;
    iter++;
    *iter = 3;

    PRINT_ELEMENTS(col1);

    // create front inserter and insert elements
    // - convenient way
    front_inserter(col1) = 44;
    front_inserter(col1) = 55;

    PRINT_ELEMENTS(col1);

    // use front inserter to insert all elements again
    copy (col1.begin(), col1.end(), front_inserter(col1));

    PRINT_ELEMENTS(col1);
}

output:

frontins.png

general inserter根据两个参数初始化：容器和待插入位置。

所有容器都提供insert()，故适用于所有容器，
  注意“待插入位置”对关联式容器只是提示。

插入操作完成后，general inserter会获得被插入元素的位置，即
    pos = container.insert(pos, value);
    ++pos;
如此是为了确保该迭代器的位置始终有效。

// iter/inserter.cpp

#include <iostream>
#include <set>
#include <list>
#include "../stl/print.hpp"

using namespace std;

int main()
{
    set<int> col1;

    // create insert iterator for col1;
    // - inconvenient way
    insert_iterator<set<int> > iter(col1, col1.begin());

    // insert elements with the usual iterator interface
    *iter = 1;
    iter++;
    *iter = 2;
    iter++;
    *iter = 3;

    PRINT_ELEMENTS(col1, "set: ");

    // create inserter and insert elements
    // - convenient way
    inserter(col1, col1.end()) = 44;
    inserter(col1, col1.end()) = 55;

    PRINT_ELEMENTS(col1, "set: ");

    // use inesrter to insert all elements into a list
    list<int> coll2;
    copy(col1.begin(), col1.end(), inserter(coll2, coll2.begin()));

    PRINT_ELEMENTS(coll2, "list: ");

    // use inserter to reinsert all elements into the list before the second element
    copy (col1.begin(), col1.end(), inserter(coll2, ++coll2.begin()));

    PRINT_ELEMENTS(coll2, "list: ");
}

output：

inserter.png

7.4.3 stream iterator

一个istream iterator可从input stream中读，
一个ostream iterator可对output stream写。

ostream iterator
ostream iterator与insert iterator类似，区别在于ostream迭代器将赋值操作转化为operator<<。

t7-9.png

// iter/ostriter.cpp

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <iterator>
using namespace std;

int main()
{
    // create ostream iterator for stream cout
    // - value are separated by a newline charcter
    ostream_iterator<int> intWriter(cout, "\n");

    // write elements with the usual iterator interface
    *intWriter = 42;
    intWriter++;
    *intWriter = 77;
    intWriter++;
    *intWriter = -5;

    // create collection with elements from 1 to 9
    vector<int> col1;
    for (int i = 1; i <= 9; ++i)
    {
        col1.push_back(i);
    }

    // write all elements without any delimiter
    copy(col1.begin(), col1.end(), ostream_iterator<int>(cout) );
    cout << endl;

    // write all elements with "<" as delimiter
    copy(col1.begin(), col1.end(), ostream_iterator<int>(cout, "<") );
    cout << endl;
}

output:

ostriter.png

note:分隔符delimiter类型是const char*，若传入一个string对象，须调用c_str()成员函数以获得正确类型。

istream iterator

产生istream iterator须提供一个input stream作为参数，iterator从中读数据。

然而，读操作可能失败(文件尾部或读错误等原因)，算法也需直到区间是否到终点。
  故可用一个end-of-stream迭代器，该迭代器有istream的default ctor生成，
    只要任何一个读取失败，则所有istream iterator会变成end-of-stream iterator。
    故每次读操作后，须将istream iterator和end-of-istream iterator比较。

t7-10.png

两个istream iterator相等条件：

二者都是end-of-stream iterator或 二者都可进行读操作且指向相同stream。

// iter/istriter.cpp

#include <iostream>
#include <iterator>
using namespace std;

int main()
{
    // create istream iterator that reads integers from cin
    istream_iterator<int> intReader(cin);

    // create end-of-stream iterator
    istream_iterator<int> intReaderEOF;

    /* while able to read tokens with istream iterator
     * write them twice
     */
    while (intReader != intReaderEOF)
    {
        cout << "once: " << *intReader << endl;
        cout << "once again: " << *intReader << endl;
        ++intReader;
    }
}

output:

image.png

stream iterator的另个例子：

// iter/advance2.cpp

#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <iterator>
using namespace std;

int main()
{
    istream_iterator<string> cinPos(cin);
    ostream_iterator<string> coutPos(cout, " ");

    /* while input is not at the end of the file
     * - write every third string
     */
    while (cinPos != istream_iterator<string>() )
    {
        // ignore the following two string
        advance(cinPos, 2);

        // read and write the third string
        if (cinPos != istream_iterator<string>())
        {
            *coutPos++ = *cinPos++;
        }
    }
    cout << endl;
}

output:

advance2.png

7.5 iterator traits

根据不同iterator对operation重载，具体实现通过iterator tag和trait(由<iterator>提供)实现重载。
C++标准库为每种iterator提供一个iterator tag作为其label：

namespace std
{
    struct output_iterator_tag{};
    struct input_iterator_tag{};
    struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag{};
    struct bidirectional_iterator_tag : public forward_iterator_tag{};
    struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag{};
}

若进行泛型编程，需要了解iterator所指元素类型，C++标准库提供一种template结构定义 iterator trait:

namespace std
{
    template<class T>
    struct iterator_traits
    {
        typedef typename T::value_type  value_type;
        typedef typename T::difference_type  difference_type;
        typedef typename T::iterator_category  iterator_category;
        typedef typename T::pointer pointer;
        typedef typename T::reference  reference;
    };
}

7.5.1 为iterator编写泛型函数

运用iterator type

eg1:以元素类型为类型的零时变量。
    typename std::iterator_traits<T>::value_type tmp;

eg2:元素环形移动。
template<class Forwarditerator>
void shift_left (Forwarditerator beg, Forwarditerator end)
{
    // temporary variable for first element
    typedef typename
      std::iterator_traits<Forwarditerator>::value_type value_type;
    
    if (beg != end)
    {
        // save value of first element
        value_type tmp(*beg);
        // shift following values
        //...
    }
}

运用iterator category
对不同iterator类型进行不同的实现，需两步：

1. 把template函数将iterator类型做为参数，调用另个函数。eg：
    template <class iterator>
    inline void foo(iterator beg, iterator end)
    {
        foo(beg,end,
            std::iterator_traits<iterator>::iterator_category() );
    }

2. 针对不同iterator实现不同的 步骤一中所调用的函数。
    只有“非派生自其它iterator类型”的iterator类型，才要提供特殊版本。eg:
    // foo() for bidirectional iterator
    template <class BiIterator>
    void foo(BiIterator beg, BiIterator end, 
              std::bidirectioanl_iterator_tag){  // ...}

    // foo() for random access iterator
    template <class RaIterator>
    void foo (RaIterator beg, RaIterator end, 
              std::random_access_iterator_tag){  //...}

distance() 实现

// general distance()
template <class iterator>
typename std::iterator_traits<iterator>::difference_type
distance (iterator pos1, iterator pos2)
{
    return distance(pos1, pos2,
            std::iterator_traits<iterator>::iterator_category() );
}

// distance() for random access iterator
template <class Raiterator>
typename std::iterator_traits<Raiterator>::difference_type
distance (Raiterator pos1, Raiterator pos2,
        std::random_access_iterator_tag)
{
    return pos2 - pos1;
}

// distance() for input,forward, and bidirectional iterator
template <class Initerator>
typename std::iterator_traits<Initerator>::difference_type
distance(Initerator pos1, Initerator pos2,
        std::input_iterator_tag)
{
    typename std::iterator_traits<Initerator>::difference_type d;
    for ( d = 0; pos1 != pos2; ++pos1, ++d){;}
    return d;
}

7.5.2 user-defined iterator

自定义iterator需要为iterator提供traits，有两种可行方法：

1. 提供一个特殊版本的iterator_traits结构。
2. 提供必要的五种类型定义，如iterator_traits结构所述。

C++标准库提供了一个特殊的基础类别iterator<>，用于定义自定义iterator。
    class Myiterator 
        : public std::iterator<std::bidirectional_iterator_tag, 
                              type, std::ptrdiff_t, type*, type&>{ //...};
    第一个参数定义iterator类型，第二个参数定义元素类型，第三个参数定义距离类型，
    第四个参数定义pointer类型，第五个参数定义reference类型。
    后三个参数有默认值ptrdiff_t,type*,type&。

eg:关联式容器的insert iterator

// 关联式容器的 insert iterator
// iter/assoiter.hpp

#include <iterator>

/* template class for insert iterator for associative containers */
template <class Container>
class asso_insert_iterator :
    public  std::iterator<std::output_iterator_tag, void, void, void, void>
{
    protected:
        Container& container;   //container in which element are inserted
    
    public:
        // constructor
        explicit asso_insert_iterator (Container& c) : container(c){}

        // assignment operator
        // - inserts a value into the container
        asso_insert_iterator<Container>&
            operator= (const typename Container::value_type& value)
            {
                container.insert(value);
                return *this;
            }

        // dereference is a no-op that returns the iterator itself
        asso_insert_iterator<Container>& operator*() 
        {
            return *this;
        }

        // increment operation is a no-op that returns the iterator itself
        asso_insert_iterator<Container>& operator++()
        {
            return *this;
        }
        asso_insert_iterator<Container>& operator++(int)
        {
            return *this;
        }
};

/* convenience function to create the inserter */
template <class Container>
inline asso_insert_iterator<Container> asso_inserter(Container& c)
{
    return asso_insert_iterator<Container>(c);
}


使用：
// iter/assoiter.cpp

#include <iostream>
#include <set>
#include <algorithm>
using namespace std;

#include "../stl/print.hpp"
#include "assoiter.hpp"

int main()
{
    set<int> col1;

    // create inserter for col1
    // -inconvenient way
    asso_insert_iterator<set<int> > iter(col1);

    // insert elements with the usual iterator interface
    *iter = 1;
    iter++;
    *iter = 2;
    iter++;
    *iter = 3;

    PRINT_ELEMENTS(col1);

    // create inserter for col1 and insert elements
    // - convenient way
    asso_inserter(col1) = 44;
    asso_inserter(col1) = 55;

    PRINT_ELEMENTS(col1);

    // use inserter with an algorithm
    int vals[] = {33, 67, -4, 13, 5, 2};
    copy(vals, vals + sizeof(vals)/sizeof(vals[0]), asso_inserter(col1));
    PRINT_ELEMENTS(col1);
}

output:

assoiter.png

最后编辑于：2022.11.08 00:45:06

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The C++ standard library(侯捷/孟岩 译) 07--迭代器

7.1 迭代器头文件

7.2 iterator categories

7.2.1 input iterator

7.2.2 output iterator

7.2.3 forward iterator

7.2.4 bidirectional iterator

7.2.5 random access iterator

7.2.6 vector迭代器increment / decrement

7.3 迭代器相关辅助函数

7.2.1 advance() 可使迭代器前进/后退

7.3.2 distance()处理迭代器间的距离

7.3.3 iter_swap()可交换两迭代器所指内容

7.4 Iterator adapter

7.4.1 reverse iterator

7.4.2 insert iterator

7.4.3 stream iterator

7.5 iterator traits

7.5.1 为iterator编写泛型函数

7.5.2 user-defined iterator

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The C++ standard library(侯捷/孟岩译) 07--迭代器