C++ 流迭代器

在C++的STL(标准模板库)中，流迭代器(Stream Iterators)是连接容器与输入/输出流的桥梁。通过流迭代器，我们可以像操作容器中的元素一样轻松地处理输入输出流中的数据，大大简化了程序的编写。

流迭代器的基本概念

流迭代器主要分为两类：

1. 输入流迭代器(istream_iterator)：从输入流(如cin)读取数据
2. 输出流迭代器(ostream_iterator)：向输出流(如cout)写入数据

这两种迭代器让我们能够像处理容器数据一样处理输入输出流，使得我们可以将STL算法直接应用于输入输出操作。

输入流迭代器(istream_iterator)

输入流迭代器允许我们从输入流中读取数据，就像从容器中读取元素一样。

基本语法

istream_iterator<T> it(istream& is);  // 创建一个输入流迭代器，从is流中读取T类型的数据
istream_iterator<T> eof;              // 创建一个表示结束的迭代器

简单示例

下面是一个使用输入流迭代器从标准输入读取整数的简单示例：

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

int main() {
    std::cout << "请输入一些整数(Ctrl+Z结束输入)：";
    
    // 创建一个从标准输入读取整数的迭代器
    std::istream_iterator<int> input_iterator(std::cin);
    // 创建一个表示结束的迭代器
    std::istream_iterator<int> eos;
    
    // 使用输入迭代器构建vector
    std::vector<int> numbers(input_iterator, eos);
    
    std::cout << "您输入的数字有：";
    for (const auto& num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    
    std::cout << "\n总共: " << numbers.size() << " 个数字" << std::endl;
    
    return 0;
}

输入示例：

1 2 3 4 5^Z

输出结果：

请输入一些整数(Ctrl+Z结束输入)：1 2 3 4 5^Z
您输入的数字有：1 2 3 4 5 
总共: 5 个数字

备注

在Windows系统中，使用Ctrl+Z表示输入结束；而在Unix/Linux系统中，使用Ctrl+D。

输出流迭代器(ostream_iterator)

输出流迭代器允许我们向输出流写入数据，就像向容器中添加元素一样。

基本语法

ostream_iterator<T> it(ostream& os);           // 创建一个输出流迭代器，向os流中写入T类型的数据
ostream_iterator<T> it(ostream& os, const char* delim);  // 创建一个输出流迭代器，每次写入后添加delim分隔符

简单示例

下面是一个使用输出流迭代器向标准输出写入数据的示例：

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

int main() {
    std::vector<int> numbers = {10, 20, 30, 40, 50};
    
    // 创建一个向标准输出写入整数的迭代器，每个数字后面跟一个空格
    std::ostream_iterator<int> output_iterator(std::cout, " ");
    
    std::cout << "使用ostream_iterator输出vector中的内容：" << std::endl;
    
    // 使用copy算法和输出迭代器输出vector中的内容
    std::copy(numbers.begin(), numbers.end(), output_iterator);
    
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

使用ostream_iterator输出vector中的内容：
10 20 30 40 50 

流迭代器的高级用法

结合STL算法使用

流迭代器的强大之处在于它可以与STL算法无缝集成，下面是一些常见的组合：

1. 使用transform算法处理输入并输出

#include <iostream>
#include <iterator>
#include <algorithm>
#include <functional>

int main() {
    std::cout << "请输入一些整数(Ctrl+Z结束输入)：";
    
    // 从标准输入读取整数
    std::istream_iterator<int> input(std::cin);
    std::istream_iterator<int> eos;
    
    // 向标准输出写入整数（每个数字后跟一个空格）
    std::ostream_iterator<int> output(std::cout, " ");
    
    // 使用transform算法将每个输入的数字平方后输出
    std::cout << "这些数字的平方是：";
    std::transform(input, eos, output, [](int x) { return x * x; });
    
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

输入示例：

1 2 3 4 5^Z

输出结果：

请输入一些整数(Ctrl+Z结束输入)：1 2 3 4 5^Z
这些数字的平方是：1 4 9 16 25 

2. 使用copy_if算法进行过滤

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

int main() {
    std::vector<int> numbers = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};
    
    std::cout << "原始数字：";
    std::copy(numbers.begin(), numbers.end(), std::ostream_iterator<int>(std::cout, " "));
    std::cout << std::endl;
    
    std::cout << "偶数：";
    // 只复制偶数到输出迭代器
    std::copy_if(numbers.begin(), numbers.end(), 
                 std::ostream_iterator<int>(std::cout, " "),
                 [](int x) { return x % 2 == 0; });
    std::cout << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

原始数字：1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 
偶数：2 4 6 8 10 

从文件读取和写入

流迭代器也可以用于文件输入输出：

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

int main() {
    // 从文件读取数据
    std::ifstream input_file("input.txt");
    if (!input_file) {
        std::cerr << "无法打开输入文件!" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    // 创建输入流迭代器
    std::istream_iterator<int> file_it(input_file);
    std::istream_iterator<int> eos;
    
    // 读取数据到vector
    std::vector<int> numbers(file_it, eos);
    
    // 处理数据（每个数乘以2）
    std::transform(numbers.begin(), numbers.end(), numbers.begin(),
                  [](int x) { return x * 2; });
    
    // 创建输出文件
    std::ofstream output_file("output.txt");
    if (!output_file) {
        std::cerr << "无法创建输出文件!" << std::endl;
        return 1;
    }
    
    // 创建输出流迭代器，每个数字后添加换行符
    std::ostream_iterator<int> file_out(output_file, "\n");
    
    // 写入处理后的数据
    std::copy(numbers.begin(), numbers.end(), file_out);
    
    std::cout << "成功处理了 " << numbers.size() << " 个数字。" << std::endl;
    
    return 0;
}

提示

使用流迭代器处理文件时，记得检查文件是否成功打开，并在程序结束时关闭文件（虽然这里依赖于RAII自动关闭）。

实际应用案例

案例1: 简单的数据过滤与转换工具

假设你需要开发一个小工具，从用户输入中过滤出正整数并计算它们的平均值：

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

int main() {
    std::cout << "请输入一系列整数(可以是负数)，Ctrl+Z结束：" << std::endl;
    
    // 从标准输入读取整数
    std::istream_iterator<int> input(std::cin);
    std::istream_iterator<int> end;
    
    // 存储所有输入的数字
    std::vector<int> all_numbers(input, end);
    
    // 只保留正数
    std::vector<int> positive_numbers;
    std::copy_if(all_numbers.begin(), all_numbers.end(), 
                 std::back_inserter(positive_numbers),
                 [](int x) { return x > 0; });
    
    std::cout << "输入的正整数有：";
    std::copy(positive_numbers.begin(), positive_numbers.end(),
              std::ostream_iterator<int>(std::cout, " "));
    std::cout << std::endl;
    
    // 计算平均值
    if (!positive_numbers.empty()) {
        double average = static_cast<double>(std::accumulate(positive_numbers.begin(), 
                                                           positive_numbers.end(), 0)) 
                         / positive_numbers.size();
        std::cout << "这些正整数的平均值为：" << average << std::endl;
    }
    else {
        std::cout << "没有输入正整数！" << std::endl;
    }
    
    return 0;
}

输入示例：

-5 10 -3 8 15 -7 2^Z

输出结果：

请输入一系列整数(可以是负数)，Ctrl+Z结束：
-5 10 -3 8 15 -7 2^Z
输入的正整数有：10 8 15 2 
这些正整数的平均值为：8.75

案例2: 简易CSV文件解析器

假设你需要解析一个简单的CSV文件，每行包含一个名称和一个分数：

#include <iostream>
#include <fstream>
#include <iterator>
#include <vector>
#include <string>
#include <sstream>
#include <algorithm>

struct Student {
    std::string name;
    int score;
    
    friend std::istream& operator>>(std::istream& is, Student& student) {
        std::string line;
        if (std::getline(is, line)) {
            std::stringstream ss(line);
            std::getline(ss, student.name, ',');
            ss >> student.score;
        }
        return is;
    }
    
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Student& student) {
        os << student.name << " 得分: " << student.score;
        return os;
    }
};

int main() {
    // 模拟一个CSV文件
    std::istringstream csv_data(
        "张三,85\n"
        "李四,92\n"
        "王五,78\n"
        "赵六,96\n"
    );
    
    // 使用流迭代器读取学生数据
    std::istream_iterator<Student> file_it(csv_data);
    std::istream_iterator<Student> end_it;
    
    // 存储所有学生数据
    std::vector<Student> students(file_it, end_it);
    
    // 输出学生信息
    std::cout << "学生名单：" << std::endl;
    std::copy(students.begin(), students.end(), 
              std::ostream_iterator<Student>(std::cout, "\n"));
    
    // 找出分数最高的学生
    auto max_student = std::max_element(students.begin(), students.end(),
        [](const Student& a, const Student& b) {
            return a.score < b.score;
        });
        
    std::cout << "\n分数最高的学生是：" << *max_student << std::endl;
    
    return 0;
}

输出结果：

学生名单：
张三 得分: 85
李四 得分: 92
王五 得分: 78
赵六 得分: 96

分数最高的学生是：赵六 得分: 96

警告

为了使用自定义类型（如上例中的Student）与流迭代器一起工作，你必须为该类型定义适当的输入操作符(>>)和输出操作符(<<)。

总结

C++流迭代器是STL中非常实用的工具，它们提供了一种统一的方式来处理内存中的数据和输入输出流。通过流迭代器，我们可以：

1. 使用与容器相同的接口处理输入输出操作
2. 将STL算法直接应用于输入输出流
3. 简化文件处理和数据转换代码
4. 编写更加简洁、可读的代码

掌握流迭代器是提高C++编程效率的重要一步，特别是当你处理大量数据输入输出时，流迭代器能让你的代码更加简洁、高效。

练习

为了加深对流迭代器的理解，你可以尝试以下练习：

1. 编写一个程序，使用输入流迭代器从用户输入读取一系列单词，然后使用输出流迭代器按字母表顺序输出这些单词。

2. 修改上面的案例2，使其从实际的CSV文件中读取数据，并计算所有学生的平均分。

3. 编写一个简单的程序，从一个文件读取整数，将它们转换为浮点数（乘以1.5），然后将结果写入另一个文件。

4. 创建一个程序，使用流迭代器统计文本文件中每个单词出现的次数，并按频率从高到低输出结果。

扩展资源

• C++ 参考 - istream_iterator
• C++ 参考 - ostream_iterator
• C++ Primer（第5版）中的流迭代器相关章节
• Effective STL by Scott Meyers（项目23：考虑用流迭代器替代手工编写的循环）

通过这些资源和练习，你将能够更深入地理解并熟练使用C++流迭代器，从而编写更加高效、简洁的代码。