从c++标准库指针萃取器谈一下traits技法

Posted 2021-08-10 cpp加油站

本篇文章基于gcc中标准库源码剖析一下标准库中的模板类pointer_traits，并且以此为例理解一下traits技法。

说明一下，我用的是gcc7.1.0编译器，标准库源代码也是这个版本的。

还是先看一下思维导图，如下：

1. 指针萃取器pointer_traits说明

首先说明一下哈，官方并没有指针萃取器这个名称，其实pointer_traits是类模板，它是c++11以后引入的，可以通过传入的重绑定模板类型得到相应的指针类型，比较官方的描述是：pointer_traits 类模板提供标准化方法，用于访问类指针类型的某些属性。

那么为什么要把这个pointer_traits拿出来单独说明一下呢，因为类似之前的内存分配器一样，它是stl中某些容器的使用前提，在讲容器的时候，绕不开它，所以先把它搞清楚了有助于后续的学习和理解。

为什么要叫指针萃取器呢，我理解它类似于内存萃取器allocator_traits，都是根据模板参数去得到某种类型，并且traits也有萃取的意思，所以我这里就叫指针萃取器了。

2. 指针萃取器源代码分析

类模板pointer_traits在标准库中有两个版本，一个特化版本，一个非特化版本，源代码都在bits/ptr_traits.h头文件中，当然实际使用的时候它是被包含在头文件memory中的。

2.1 非特化pointer_traits

我们先分析一下非特化版本的源代码，如下：

//pointer_traits类模板
template<typename _Ptr>
    struct pointer_traits
    {
    private:
	template<typename _Tp>
	using __element_type = typename _Tp::element_type;

      template<typename _Tp>
	using __difference_type = typename _Tp::difference_type;

      template<typename _Tp, typename _Up, typename = void>
	struct __rebind : __replace_first_arg<_Tp, _Up> { };

      //如果__void_t参数里面类型存在则直接使用下面这个结构体，否则使用上面那个
      template<typename _Tp, typename _Up>
	struct __rebind<_Tp, _Up, __void_t<typename _Tp::template rebind<_Up>>>
	{ using type = typename _Tp::template rebind<_Up>; };

    public:
      using pointer = _Ptr;
        
      using element_type
	= __detected_or_t<__get_first_arg_t<_Ptr>, __element_type, _Ptr>;

      using difference_type
	= __detected_or_t<ptrdiff_t, __difference_type, _Ptr>;

      template<typename _Up>
        using rebind = typename __rebind<_Ptr, _Up>::type;

      static _Ptr
      pointer_to(__make_not_void<element_type>& __e)
      { return _Ptr::pointer_to(__e); }

      static_assert(!is_same<element_type, __undefined>::value,
	  "pointer type defines element_type or is like SomePointer<T, Args>");
    };

对于这段代码，其实初看起来是有点懵的，但是万变不离其宗，一个类被定义出来，最后是给别人使用的，所以对于类类型而言，我们只要搞懂它的公共成员都有些什么作用，那大概也就知道这个类的作用了。

这里需要说明一下__detected_or_t的作用，它也是一个类型模板，声明如下：

template<typename _Default, template<typename...> class _Op,
	   typename... _Args>
    using __detected_or_t
      = typename __detected_or<_Default, _Op, _Args...>::type;

作用是如果_Op<_Args...>是一个有效的类型，那这个类型就是_Op<_Args...>，否则就是_Default。

那么对于类模板pointer_traits，它的公共成员作用如下：

• pointer，这个其实就是模板参数_ptr的一个别名；
• element_type，也是一个别名，如果_ptr::element_type这个类型存在，则它就是_ptr::element_type这个类型，如果_ptr::element_type这个类型不存在，但是_ptr是一个模板特化，则它就是_ptr，否则就是__undefined，其实就是无意义类型了；
• difference_type，也是一个别名，如果_ptr::difference_type这个类型存在，则它就是_ptr::difference_type，否则就是ptrdiff_t类型；
• templateusing rebind，它是一个类型别名模板，由类pointer_traits的模板参数和rebind的模板参数一起决定最终到底是什么类型，若_ptr::rebind<_Up>这个类型存在则它就是_ptr::rebind<_Up>，否则根据类型模板__replace_first_arg的实现，若_ptr是模板特化_Template<_Tp, _Types...>，则它是_Template<_Tp, _Types...>，否则就没有类型；
• pointer_to，它是一个静态成员函数，调用模板类型的pointer_to函数，所以具体什么作用取决于_ptr的实现，但根据字面意思应该是获取element_type类型对象的地址。

所以总的来看，说白了类模板pointer_traits其实就是用于获取模板参数_ptr的某些类型属性，那从这里反推一下，也能知道这个模板参数类型需要具有一些什么属性。

2.2 特化pointer_traits

接下来看一下特化类模板pointer_traits的源代码实现：

template<typename _Tp>
    struct pointer_traits<_Tp*>
    {
      typedef _Tp* pointer;   //为特化类型取个别名
      typedef _Tp  element_type;   //为模板类型取别名
      typedef ptrdiff_t difference_type; 

      template<typename _Up>
        using rebind = _Up*;

      static pointer
      pointer_to(__make_not_void<element_type>& __r) noexcept
      { return std::addressof(__r); }
    };

对于特化类型，它的公共成员与非特化其实是一致的，只是它是为_Tp*类型提供的特化，对于其他公共成员，这里比较简单，就不再多说了，重点再看一下template<typename _Up> using rebind这个类型别名模板，它直接获取一个_Up*类型的指针，结合整体来看，它的作用就是：重绑定类型成员模板别名，使得可以由指向 _Tp 的指针类型，获取指向 _Up 的指针类型。

源代码分析完以后，貌似有点印象了，但是我们具体应该怎么使用呢？

3. 指针萃取器的简单使用

我们先写一段例子代码，如下：

#include <memory>
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <cxxabi.h>

//将gcc编译出来的类型翻译为真实的类型
const char* GetRealType(const char* p_szSingleType)
{
    const char* szRealType = abi::__cxa_demangle(p_szSingleType, nullptr, nullptr, nullptr);
    return szRealType;
}

int main()
{
	using ptr = typename std::pointer_traits<int*>::template rebind<double>;
	ptr p1;
	const std::type_info &info = typeid(p1);
	std::cout << GetRealType(info.name()) << std::endl;
	return 0;
}

上面这个例子很显然用到了特化的pointer_traits，并且用的rebind属性，由指向int的指针类型获得了指向double的指针类型，代码输出如下：

double*

看上面的代码，我们还是不知道pointer_traits到底有啥作用，并且看起来是把简单的类型搞复杂了，但有一点，当我们不知道确切类型的时候，使用这个标准模板类获取指针类型还是蛮方便的，这一点在标准库的deque容器中就有使用。

而对于非特化的pointer_traits，看一下下面这段代码：

#include <memory>
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <cxxabi.h>
#include <string>

struct test_traits
{
	using element_type = int;
	using difference_type = double;
};

struct test_traits2
{
	using element_type = std::string;
	using difference_type = size_t;
};

const char* GetRealType(const char* p_szSingleType)
{
    const char* szRealType = abi::__cxa_demangle(p_szSingleType, nullptr, nullptr, nullptr);
    return szRealType;
}

int main()
{
	using type1 = typename std::pointer_traits<test_traits>::element_type;
	using type2 = typename std::pointer_traits<test_traits2>::difference_type;
	const std::type_info &info = typeid(type1);
	std::cout << GetRealType(info.name()) << std::endl;
	const std::type_info &info2 = typeid(type2);
	std::cout << GetRealType(info2.name()) << std::endl;
	return 0;
}

说白了，从这里看pointer_traits的作用就是得到某些类型的属性，这个在类型未知的时候就比较有用，比较典型的用法是在标准库的allocator_traits类模板里面，我们之前说过，allocator_traits是内存萃取器，在这个萃取器里面，会通过pointer_traits获取一些分配器的类型属性。

4. 从指针萃取器角度谈traits技法

所谓traits，字面意思是特性、特征，所以说白了，traits技法其实就是获取未知类型的某些属性，为什么说是未知，因为traits主要用于模板编程中，根据模板类型去获取某些类型特性，如果是已知的类型，那就没有必要使用traits技法了。

比如本篇文章所讲的pointer_traits，它就是使用traits技法的典型案例，按照字面意思我们可以理解为指针的特性，所以非特化的pointer_traits它就是用于获取某些类指针的类型特性，而一般特化的pointer_traits其实是用于原生指针类型，比如int*这样的。

下面我们再看一看怎么使用非特化的pointer_traits获取类指针的特性，如下：

#include <memory>
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <cxxabi.h>

const char* GetRealType(const char* p_szSingleType)
{
    const char* szRealType = abi::__cxa_demangle(p_szSingleType, nullptr, nullptr, nullptr);
    return szRealType;
}

int main()
{
	using type = typename std::pointer_traits<std::shared_ptr<int>>::element_type;
	const std::type_info &info = typeid(type);
	std::cout << GetRealType(info.name()) << std::endl;
	return 0;
}

代码输出:int，它获取了智能指针的element_type特性。

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