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【C++】迭代器详解与失效机制

news 2025/9/3 16:02:07

1. 迭代器详解

1.1 迭代器类型

begin()/end()：正向迭代器
cbegin()/cend()（C++11）：常量正向迭代器
rbegin()/rend()：反向迭代器
crbegin()/crend()（C++11）：常量反向迭代器

1.2 迭代器失效规则

迭代器的主要作用就是让算法能够不用关心底层数据结构，其底层实际就是一个指针，或者是对指针进行了封装，比如：vector 的迭代器就是原生态指针 T* 。因此迭代器失效，实际就是迭代器底层对应指针所指向的空间被销毁了，而使用一块已经被释放的空间，造成的后果是程序崩溃（即如果继续使用已经失效的迭代器，程序可能会崩溃）。

对于 vector 可能会导致其迭代器失效的操作有：

1. 会引起其底层空间改变的操作，都有可能是迭代器失效，比如：resize、reserve、insert、assign、push_back 等。

#include <iostream> 
using namespace std; 
#include <vector> 
int main() 
{  vector<int> v{1,2,3,4,5,6};  auto it = v.begin();    // 将有效元素个数增加到100个，多出的位置使用8填充，操作期间底层会扩容  // v.resize(100, 8);    // reserve的作用就是改变扩容大小但不改变有效元素个数，操作期间可能会引起底层容量改变  // v.reserve(100);    // 插入元素期间，可能会引起扩容，而导致原空间被释放  // v.insert(v.begin(), 0);  // v.push_back(8);    // 给vector重新赋值，可能会引起底层容量改变  v.assign(100, 8);    /*  出错原因：以上操作，都有可能会导致vector扩容，也就是说vector底层原理旧空间被释放掉， 而在打印时，it还使用的是释放之间的旧空间，在对it迭代器操作时，实际操作的是一块已经被释放的 空间，而引起代码运行时崩溃。  解决方式：在以上操作完成之后，如果想要继续通过迭代器操作vector中的元素，只需给it重新 赋值即可。  */  while(it != v.end()) {  cout<< *it << " " ;  ++it; }  cout<<endl;  return 0; 
}

比如：

2.指定位置元素的删除操作-erase

#include <iostream> 
using namespace std; 
#include <vector> 
int main() 
{  int a[] = { 1, 2, 3, 4 }; vector<int> v(a, a + sizeof(a) / sizeof(int));  // 使用find查找3所在位置的iterator  vector<int>::iterator pos = find(v.begin(), v.end(), 3);  // 删除pos位置的数据，导致pos迭代器失效。  v.erase(pos);  cout << *pos << endl; // 此处会导致非法访问  return 0; 
}

erase 删除 pos 位置元素后，pos 位置之后的元素会往前搬移，没有导致底层空间的改变，理论上讲迭代器不应该会失效，但是：如果 pos 刚好是最后一个元素，删完之后 pos 刚好是 end 的位置，而 end 位置是没有元素的，那么 pos 就失效了。因此删除 vector 中任意位置上元素时，vs 就认为该位置迭代器失效了。

以下代码的功能是删除 vector 中所有的偶数，请问那个代码是正确的，为什么？

#include <iostream> 
using namespace std; 
#include <vector> 
int main() 
{  vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };  auto it = v.begin();  while (it != v.end()) {  if (*it % 2 == 0)  v.erase(it);  ++it; }    return 0; 
} int main() 
{  vector<int> v{ 1, 2, 3, 4 };  auto it = v.begin();  while (it != v.end()) {if (*it % 2 == 0)  it = v.erase(it);  else  ++it; } return 0; 
}

第二个代码是正确的，第一个代码存在逻辑错误，会导致迭代器失效和未定义行为。

核心原因：vector 的 erase 操作会导致迭代器失效

vector::erase(it) 执行后，会删除 it 指向的元素，并且：

原 it 迭代器会失效（指向已被释放的内存）
erase 会返回指向被删除元素下一个位置的新迭代器

第一个代码的问题在于：当删除元素后，it 已经失效，继续对其进行 ++ 操作会导致程序异常。

第二个代码的正确之处在于：

删除元素时，通过 it = v.erase(it) 接收新的有效迭代器，避免失效问题
不删除元素时，才执行 ++it 移动到下一个元素

这种写法确保了迭代器始终有效，能够正确遍历并删除所有偶数元素。

示例执行过程（第二个代码）

以 v = {1,2,3,4} 为例

初始 it 指向 1（非偶数）→ ++it → 指向 2
it 指向 2（偶数）→ erase(it) 返回指向 3 的迭代器 → it 现在指向 3
it 指向 3（非偶数）→ ++it → 指向 4
it 指向 4（偶数）→ erase(it) 返回指向 end() 的迭代器 → 循环结束

最终 vector 变为 {1,3}，符合预期。

erase 会返回被删除 it 的下一个位置的迭代器，在使用 vector::erase 时，必须通过其返回值更新迭代器。

3.与 vector 类似，string 在插入+扩容操作+erase 之后，迭代器也会失效

#include <string> 
void TestString()
{  string s("hello");  auto it = s.begin();  // 放开之后代码会崩溃，因为resize到20会string会进行扩容  // 扩容之后，it指向之前旧空间已经被释放了，该迭代器就失效了  // 后序打印时，再访问it指向的空间程序就会崩溃  //s.resize(20, '!');  while (it != s.end()) {  cout << *it;  ++it; } cout << endl;  it = s.begin();  while (it != s.end()) {  it = s.erase(it); // 按照下面方式写，运行时程序会崩溃，因为erase(it)之后  // it位置的迭代器就失效了  // s.erase(it);   ++it; } 
}

迭代器失效解决办法：在使用前，对迭代器重新赋值即可。

2.Vector 与其他容器比较

2.1 容器特性对比表

特性	vector	deque	list	forward_list	array
随机访问	✅ O(1)	✅ O(1)	❌ O(n)	❌ O(n)	✅ O(1)
头部插入	❌ O(n)	✅ O(1)	✅ O(1)	✅ O(1)	❌
尾部插入	✅ O(1)*	✅ O(1)	✅ O(1)	❌ O(n)	❌
中间插入	❌ O(n)	❌ O(n)	✅ O(1)	✅ O(1)	❌
内存布局	连续	分段连续	非连续	非连续	连续
迭代器类型	随机访问	随机访问	双向	前向	随机访问