STL源码分析--traits

Posted 2021-04-05 后端技术小屋

• 1 __type_traits：trivial判定

• 1.1 为什么要判定trivial类型

• 1.2 trivial类型的定义

• 1.3 trival类型判定的实现

• 2 _Is_integer: 整型判定

• 2.1 为什么要进行整型判定

• 2.2 整型判定的实现

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traits(译作萃取)是C++中一种特殊的编程技法，它是模板元编程最直接的用例之一。通过traits，可以抽取模板入参类型的各种属性。接下来我们通过STL中最常见的几种traits举例说明。

1 __type_traits：trivial判定

__type_traits用于判断类型是否为trival(译作平凡)。

1.1 为什么要判定trivial类型

如果一个类型是trivial的，则可以静态初始化，可以用memcpy直接复制数据而不是必须用copy构造函数。其生存期始于它的对象存储被定义，无需等到构造函数完成。在执行ctor, copy, move, assign, ctor时，可以采用最有效率的方法：即不执行编译器自动生成的ctor, copy, assign, ctor, 取而代之的是malloc, free, memcpy这类操作。

举个栗子：_Destroy用于销毁容器迭代器区间[__first, __last)内所有对象。而其调用链如下：

_Destroy
  -> __destroy
    -> __destroy_aux

在实现上，

• _Destory首先使用 __VALUE_TYPE获取指向容器中对象的指针类型，并将其实例作为入参传入到 __destory中。
• 在 __destory中，使用 __type_traits<_Tp>::has_trivial_destructor判断容器中对象类型是否为 trivial，并调用 __destroy_aux。
• __destroy_aux函数根据 _Tp是否为 trivial实现了两个不同的版本。在 trivial版本中，什么都不做，因为 trivial类型没有显式定义析构函数。在非 trivial函数中，则必须调用 _Tp的析构函数。

我们注意到，这里使用__type_traits用于识别_Tp类型是否trivial

template <class _ForwardIterator>
void
__destroy_aux(_ForwardIterator __first, _ForwardIterator __last, __false_type)
{
  for ( ; __first != __last; ++__first)
    destroy(&*__first);
}

template <class _ForwardIterator> 
inline void __destroy_aux(_ForwardIterator, _ForwardIterator, __true_type) {}

template <class _ForwardIterator, class _Tp>
inline void 
__destroy(_ForwardIterator __first, _ForwardIterator __last, _Tp*)
{
  typedef typename __type_traits<_Tp>::has_trivial_destructor
          _Trivial_destructor;
  __destroy_aux(__first, __last, _Trivial_destructor());
}

template <class _ForwardIterator>
inline void _Destroy(_ForwardIterator __first, _ForwardIterator __last) {
  __destroy(__first, __last, __VALUE_TYPE(__first));
}

1.2 trivial类型的定义

也许你的问题来了，什么样的类型才可称之为trivial的？

如果一个类型满足以下条件中的至少一个，则称其为非trival；否则称其为trival
1. 显式定义了构造函数(ctor), 复制构造函数(copy), 移动构造函数(move)，赋值运算符(assign), 或析构函数(ctor)之中任何一个。
2. 类中有非POD类型成员
3. 有虚函数
4. 有虚基类

到这里也许你的问题会更多了，到底什么是POD类型？

POD = Plain Old Data 
根据维基百科的定义，POD类型包括标量类型和POD类类型。POD在源代码兼容于ANSI C时非常重要。POD对象与C语言的对应对象具有共同的一些特性，包括初始化，复制，内存布局，寻址等。

标量类型包括：
1. 算数类型(整数/浮点/字符/布尔)
2. 枚举类型
3. 指针类型(空指针/对象指针/函数指针)
4. 指针到成员类型(例如T C::* 指向类C的类型为T的数据成员的指针)

POD类类型是指聚合类(通过struct/union聚合)或数组，也不具有下述成员：
1. 指针到成员类型的非静态数据成员
2. 非POD类型的非静态数据成员
3. 引用类型的非静态数据成员
4. 显式定义的拷贝和赋值算子
5. 显式定义的析构函数
6. 如果是聚合类且含有显式定义的构造函数，私有/保护的非静态成员函数，基类，虚函数 
综上，不符合以上6条的聚合类/数组才可称之为POD类类型。

1.3 trival类型判定的实现

在实现上，首先定义通用模板类__type_traits。这里所有的计算都是基于类型的，因此使用__true_type和__false_type分别表示逻辑真/假类型。

从代码可以看到，缺省情况下，_Tp中默认构造函数/复制构造函数/赋值操作符/析构函数都不是trivial的，_Tp也不是POD类型。

template <class _Tp>
struct __type_traits { 
   typedef __true_type     this_dummy_member_must_be_first;
   typedef __false_type    has_trivial_default_constructor;
   typedef __false_type    has_trivial_copy_constructor;
   typedef __false_type    has_trivial_assignment_operator;
   typedef __false_type    has_trivial_destructor;
   typedef __false_type    is_POD_type;
};

struct __true_type {
};

struct __false_type {
};

其次，对于所有标量类型，定义特化模板类__type_traits，因为标量类型，没有定义默认构造/复制构造/复制操作符/析构函数，标量类型也属于POD类型。标量类型包含：

bool
char
signed char
unsigned char
wchar_t
short
unsigned short
int
unsigned int
long
unsigned long
unsigned long long
float
double
long double
Tp*
char*
signed char*
unsigned char*,
const char*
const signed char*
const unsigned char*

2 _Is_integer: 整型判定

_Is_integer用于判断类型是否为整数类型

2.1 为什么要进行整型判定

举个例子：如果vector中元素类型_Tp是整数类型。在这种情况下，如果不分区整数类型，那么编译器便无法区分vector<int> a(10, 1);该使用以下代码中第一种构造函数还是第二种，因为_InputIterator只是一个模板参数，它可以是真正的迭代器类型，也可以是其他任何一种类型。

为了不使编译器犯难，我们需要在编译期间决定_InputIterator是否为整数类型。这里用到了_Is_integer，它判定_InputIterator类型，并返回__true_type或__false_type。对应的，_M_initialize_aux针对_InputIterator是否为整形也实现了两个版本。最终使得vector构造在两种不同情况下，保持了各自的语义:

• 语义一：指定元素数量和初始值，构造vector
• 语义二：指定起始iterator和终止iterator, 构造vector

  // 构造函数1
  vector(size_type __n, const _Tp& __value,
         const allocator_type& __a = allocator_type()) 
    : _Base(__n, __a)
    { _M_finish = uninitialized_fill_n(_M_start, __n, __value); }
    
  // 构造函数2
  // Check whether it's an integral type.  If so, it's not an iterator.
  template <class _InputIterator>
  vector(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
         const allocator_type& __a = allocator_type()) : _Base(__a) {
    typedef typename _Is_integer<_InputIterator>::_Integral _Integral;
    _M_initialize_aux(__first, __last, _Integral());
  }

2.2 整型判定的实现

首先，定义通用模板函数_Is_integer。缺省情况下所有的类型都不是整型。

template <class _Tp> struct _Is_integer {
  typedef __false_type _Integral;
};

其次，定义特化模板函数_Is_integer，对于以下类型，_Integral为__true_type。

bool
char
signed char
unsigned char
wchar_t
short
unsigned short
int
unsigned int
long
unsigned long
long long
unsigned long long

PS: STL中远远不止上述两种traits，例如还有__char_traits(见)、iterator_traits(见)、_Alloc_traits(见)，在此留给读者自行分析

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