STL源码剖析——iterators与trait编程#3 iterator_category

Posted 2020-11-16 misakijh

　　最后一个迭代器的相应类型就是iterator_category，就是迭代器本身的类型，根据移动特性与实行的操作，迭代器被分为了五类：

 

• Input Iterator：这种迭代器所指的对象，不允许外界改变。只读（read only）。
• Output Iterator：唯写（write only）
• Forward Iterator：允许写入型算法在此种迭代器所形成的区间上进行读写操作，具有Input迭代器的全部功能和Output迭代器的大部分功能。支持++运算符。
• Bidirectional Iterator：可双向移动。某些算法需要逆向遍历某个迭代器区间，可以使用Bidirectional Iterator。在Forward的基础上支持--运算符。
• Random Access Iterator：前四种迭代器都只供应一部分指针算术能力（operator++、operator--），而这种则涵盖所有指针算数能力，包括p+n、p-n、p[n]、p1-p2、p1<p2

　　这些迭代器的分类与从属关系，下图可以表示，直线与箭头代表的并非C++的继承关系，而是concept（概念）与refinement（强化）的关系。

 

　　设计算符时，如果可能，我们尽量针对图中的某种迭代器提供一个明确的定义，并针对更强化的某种迭代器提供另一种定义，这样才能在不同情况下提供最大效率。假设有个算法可接受Forward Iterator，你以Random Access Iterator喂给它，它当然也接受，因为一个Random Access Iterator一定是一个Forward Iteartor。但是可用并不是代表最佳。

　　例如最近我刚好看到copy()函数，它就为不同的迭代器定义了不同的复制方法，它提供了Input Iterator的特化版本和针对更强化的Random Access Iteartor的特化版本，为什么如此？因为于非随机迭代器而言，它们无法做到迭代器之间的减法处理（operator-()），所以每次循环判断是否达到被复制区间的尾部时，只能与last（区间为[first, last) ）迭代器进行比较，这个就是Input Iterator的特化版本；而针对更强化的随机迭代器而言，因为其提供的减法处理，所以可以利用difference type记录区间大小（last - first），然后在复制循环中只用判断循环次数是否超过区间大小就好了，这个就是Random Access Iterator的特化版本，相对而言后者的速度显然比前者快很多，这就是在不同情况下提供最大效率。

　　但重点是，我们必须有能力去萃取出迭代器的种类，才能调用到相应的特化版本。这最后一个迭代器的相应类型一定必须是一个类（class type），不能只是数值号码之类的东西，因为编译器需要仰赖它来进行重载判断。下面定义五个classes，代表五种迭代器类型：

1 struct input_iterator_tag {};
2 struct output_iterator_tag {};
3 struct forward_iterator_tag :public input_iterator {};
4 struct bidirectional_iterator_tag :public forward_iterator_tag {};
5 struct random_access_iterator_tag :public bidirectional_iterator_tag {};

　　这些classes只作为标记用，所以不需要任何成员。至于为什么运用继承机制，它可以促成重载机制的成功运作，另一个好处是，通过继承，我们可以不必写“单纯只做传递调用”的函数，我们可以做一个小测试：

 1 struct B {};            //B 可比拟为Input Iterator
 2 struct D1 :public B {}; //D1可比拟为Forward Iterator
 3 struct D2 :public D1 {};//D2可比拟为Bidirectional Iterator
 4 
 5 template<typename I>
 6 func(I& p, B)
 7 {
 8     cout << "B version" << endl;
 9 }
10 template<typename I>
11 func(I& p, D2)
12 {
13     cout << "D2 version" << endl;
14 }
15 int main()
16 {
17     int *p;
18     func(p, B());    //输出“B version”
19     func(p, D1());    //输出“B version”
20     func(p, D2());    //输出“D2 version”
21 }

　　何为“单纯只做传递调用”的函数，如果Forward Iteartor的特化版本的功能Input Iterator也能做到，那在非继承情况下，它是如下的，以advance函数的内部函数__advance()为例，该函数具有跳到容器内某指定位置的功能：

 1 //Distance即为两迭代器距离类型（difference type）
 2 template<typename InputIterator, typename Distance>
 3 inline void __advance(InputIterator& i, Distance n, input_iterator_tag)
 4 {
 5     //单向，逐一前进
 6     while (n--)++i;
 7 }
 8 
 9 template<typename InputIterator, typename Distance>
10 inline void __advance(InputIterator& i, Distance n, forward_iterator_tag)
11 {
12     __advance(i, n, input_iterator_tag());    //单纯的转调用
13 }

　　如果是继承的情况下，只需写一个Input Iteartor版本即可，而无需再写一个Forward Iteartor特化版本然后做传递调用处理。而因处理方式不一，它还提供了Bidirectional Iteartor的特化版本和Random Access Iteartor的特化版本，这里不再赘述，但有必要提一下其上层对外开放接口advance函数，这一上层接口只需两个参数，当它准备将工作转给上述的__advance()时，才自行加上第三参数：迭代器类型。因此，这个上层函数必须有能力从它所获得的迭代器推导出其类型——这份工作自然是交给traits机制：

1 template<typename InputIterator, typename Distance>
2 inline void advance(InputIterator& i, Distance n)
3 {
4     __advance(i, n,
5         iterator_traits<InputIterator>::iteartor_category());
6 }

　　iterator_traits<InputIterator>::iteartor_category()将产生一个临时对象，其类型应该隶属于前述四个迭代器类型（I、F、B、R）之一。然后，根据这个类型，编译器才决定调用哪一个__advance()重载函数。

　　因此，为了满足上述行为，traits必须在增加一个相应类型：

 1 template<typename I>
 2 struct iterator_traits
 3 {
 4     ...
 5     typedef typename I::iterator_category iterator_category;
 6 };
 7 template<typename T>
 8 struct iterator_traits<T*>
 9 {
10     ...    
11     //原生指针是一种Random Access Iterator
12     typedef typename random_access_iterator_tag iterator_category;
13 };
14 struct iterator_traits<const T*>
15 {
16     ...
17     //原生pointer-to-const是一种Random Access Iterator
18     typedef typename random_access_iterator_tag iterator_category;
19 };

　　一个迭代器的类型，应该是各种迭代器类型中最强的那个，例如int*，既是Random Access Iterator，又是Bidirectional Iterator，同时也是Forward Iterator，而且也是Input Iteartor，那么，其类型应该归属为randm_access_iterator_tag。

　　另外还需注意的是STL算法的一个命名规则，如advance()，其迭代器类型参数命名为InputIteartor，这表示只要其迭代器类型的基类为input_iteartor_tag，该函数就能接受，即接受各种类型的迭代器。以算法所能接受之最低阶迭代器类型，来为其迭代器类型参数命名。

std::iterator的保证

　　为了符合规范，任何迭代器都应该提供相应类型，否则便是有别于整个STL整个架构，可能无法与其他STL组件顺利搭配。因此STL提供了一个iteartor class，如果每个新设计的迭代器都继承自它，就可保证符合STL规范：

template <class Category, 
          class T, 
          class Distance = ptrdiff_t,
          class Pointer = T*, 
          class Reference = T&>
struct iterator {
    typedef Category  iterator_category;
    typedef T         value_type;
    typedef Distance  difference_type;
    typedef Pointer   pointer;
    typedef Reference reference;
};

　　iteartor class不含任何成员，纯粹只是类型定义，所以继承它并不会带来任何额外的负担。由于后三个参数皆有默认值，故新的迭代器只需提供前两个参数即可。如我们第一节土法炼钢的ListIter，如果改用正式规格，应该这么写：

1 template<typename Item>
2 struct ListIter: public std::iterator<std::forward_iterator_tag, Item>
3 {...}

　　设计适当的相应类型，是迭代器的责任。设计适当的迭代器，则是容器的责任。唯容器本身，才知道设计出怎样的迭代器来遍历自己，并执行迭代器该有的各种行为。至于算法，完全可以独立于容器和迭代器之外自行发展，只要设计时以迭代器为对外接口就行。