《STL源码剖析》学习之traits编程

Posted 2020-09-03 任智康

　　侯捷老师在《STL源码剖析》中说到：了解traits编程技术，就像获得“芝麻开门”的口诀一样，从此得以一窥STL源码的奥秘。如此一说，其重要性就不言而喻了。
      之前已经介绍过迭代器，知道了不同的数据结构都有自己专属的迭代器，不同的迭代器也有不同的特性，由于算法的接口是统一的，通过迭代器的不同属性，算法自动选择正确的执行流程，在完全任务的同时，也尽可能提高算法的执行效率。那算法如何获知迭代器的属性呢？这一光荣的任务就是traits完成的。在STL实现中，traits编程技术得到大量的运用，它利用了“内嵌类型”的编程技巧与C++的template参数推导功能，弥补了C++类型识别方面的不足。通过traits，算法可以原汁原味的将迭代器的属性萃取出来，帮助算法正确高效的运行。

一、为什么需要traits编程技术

       前面说了很多关于traits的光荣事迹，但是却一直没有介绍traits究竟是个什么东西，究竟是用来干什么的？traits在英文解释中就是特性，下面将会引入traits技术的作用，一步一步地揭开其神秘的面纱。

1.1 内嵌类型声明 

1.1.1 以迭代器所指对象的类型声明局部变量

       下面是一个以迭代器为模板形参的函数模板：

template<typename Iterator>  
void func(Iterator iter)  
{  
    //函数体  
}  

 　　假如现在算法中需要声明一个变量，而变量的类型是迭代器所指对象的类型，应该怎么处理呢？

template<typename Iterator>  
void func(Iterator iter)  
{  
    *Iterator var;//这样定义变量可以吗？  
}  

　　上面的代码是不可以通过编译的，虽然C++支持sizeof()，但是并不支持typeof()，就算是用到RTTI性质中的typeid()，获取到的也仅仅是类型的名字，因此不能直接用来声明变量。此时可以利用函数模板的参数类型推导机制解决问题，例如：

template<typename Iterator, typename T>  
void func_impl(Iterator iter, T t)  
{  
    T temp;//这里就解决了问题  
    //这里做原本func()的工作  
}  
  
template<typename Iterator>  
void func(Iterator iter)  
{  
    func_impl(iter, *iter);//func的工作全部都移到func_impl里面了  
}  
  
int main(int argc, const char *argv[])  
{  
    int i;  
    func(&i);  
}  

 　　函数func作为对外接口，实际的操作却由函数func_impl执行，通过函数func_impl的参数类型推导，获取到Iterator指向对象的类型T，从而解决了问题。

1.1.2 以迭代器所指对象的类型声明返回类型

       现在通过函数模板的参数类型推导解决了函数体内声明变量的问题，但问题又来了，如果需要返回类型是迭代器所指对象的类型又可以怎样做呢？

template<typename Iterator>  
(*Iterator) func(Iterator iter)  
{  
    //这样定义返回类型可以吗？  
}  

　　在这种情况下，模板的参数类型推导机制也无能为力了，因为它只能推导参数，并不能推导函数的返回类型。STL解决这种问题的办法就是内嵌类型声明，即在迭代器内部添加一种“特性”，通过这种“特性”，算法可以很容易地获知迭代器所指对象的类型，请看下面的代码：

template<typename T>  
class Iterator  
{  
public:  
    typedef T value_type;//内嵌类型声明  
    Iterator(T *p = 0) : m_ptr(p) {}  
    T& operator*() const { return *m_ptr;}  
    //...  
  
private:  
    T *m_ptr;  
};  
  
template<typename Iterator>  
typename Iterator::value_type  //以迭代器所指对象的类型作为返回类型，长度有点吓人！！！  
func(Iterator iter)  
{  
    return *iter;  
}  
  
int main(int argc, const char *argv[])  
{  
    Iterator<int> iter(new int(10));  
    cout<<func(iter)<<endl;  //输出：10  
}  

 　　函数func()的返回类型前面必须加上关键词typename，原因在本人之前写的“C++模板学习”中也解释过，因为T是一个template参数，编译器在编译实例化func之前，对T一无所知，就是说，编译器并不知道Iterator<T>::value_type是一个类型，或者是一个静态成员函数，还是一个静态数据成员，关键词typename的作用在于告诉编译器这是一个类型，这样才能顺利通过编译。

1.2 原生指针也是一种迭代器

       之前在介绍迭代器的分类之时说过，原生指针也是一种迭代器，此时问题就来了，原生指针并不是一种类类型，它是无法定义内嵌类型的。因此，上面的内嵌类型实现还不能完全解决问题，那可不可以针对原生指针做特殊化的处理呢？答案是肯定的，利用模板偏特化就可以做到了。

       《泛型思维》一书对模板偏特化的定义是：

        针对template参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。

/这个泛型版本允许T为任何类型  
template<typename T>  
class C  
{   
    //...  
};    

　　我们很容易接受上面的类模板有一个形式如下的偏特化版本：

template<typename T>  
class C<T*>   
{  
    //...   
};  

　　这个特化版本仅适用于T为原生指针的情况，”T为原生指针”就是“T为任何类型”的一个更进一步的条件限制。那如何利用模板偏特化解决原生指针不能内嵌类型的问题呢？下面介绍的iterator_traits就是关键了。

二、迭代器萃取机--iterator_traits

2.1 原生指针并不是一种类类型

标准库中声明如下：

template <class Category,              // iterator::iterator_category
          class T,                     // iterator::value_type
          class Distance = ptrdiff_t,  // iterator::difference_type
          class Pointer = T*,          // iterator::pointer
          class Reference = T&         // iterator::reference
          > class iterator;

template <class Iterator> class iterator_traits;
template <class T> class iterator_traits<T*>;
template <class T> class iterator_traits<const T*>;

       STL里面使用iterator_traits这个结构来专门“萃取”迭代器的特性，前面代码中提到的value_type就是迭代器的特性之一：

template<typename Iterator>  
struct iterator_traits  
{  
    typedef typename Iterator::value_type value_type;  
};  

 　　如果Iterator有定义value_type，那么通过iterator_traits作用之后，得到的value_type就是Iterator::value_type，比较之前写的版本和经iterator_traits作用后的版本：

template<typename Iterator>  
typename Iterator::value_type  //这行是返回类型  
func(Iterator iter)  
{  
    return *iter;  
}  
  
//通过iterator_traits作用后的版本  
template<typename Iterator>  
typename iterator_traits<Iterator>::value_type  //这行是返回类型  
func(Iterator iter)  
{   
    return *iter;  
}  

 　　从长度上看，好像需要敲的代码更多了，为什么要这么麻烦加上一层间接层呢？由于原生指针也是一种迭代器，而且不是一种类类型，因此原生指针并不能定义内嵌类型。这里通过实现iterator_traits的一个偏特化版本就可以解决这个问题了，具体的实现如下：

//iterator_traits的偏特化版本，针对迭代器是个原生指针的情况  
template<typename T>  
struct iterator_traits<T*>  
{  
    typedef T value_type;  
}; 

　　大家在进行函数重载的时候，应该都曾遇到过以下的情况：

//函数版本一  
void func(int *ptr)  
{   
    //...  
}  
  
//函数版本二  
void func(const int *ptr)  
{   
    //...  
}  

　　以上两个函数虽然函数、形参个数和位置都一样，但它们不是同一个函数，而是函数重载的一种情况，也就是说函数形参的const和非const版本是不一样的，在函数版本一里面，可以修改指针ptr指向的数据，但是在函数版本二里面却不可以，因为传入的指针ptr是一个const指针。由此可以联想到，当将一个const指针作为模板形参传给前面声明的偏特化版本的iterator_traits会有发生什么情况呢？

iterator_traits<const int*>::value_type  //获得的value_type是const int，并不是int  

　　当我们想用iterator_traits萃取出value_type并声明一个临时变量时，却发现声明的变量是const类型，并不能进行赋值，这违背了我们的用意。我们需要一种方法区别const和非const才能避免这种误会的发生，答案很简单，只要另外再设计一个iterator_traits偏特化版本就可以了：

template<typename T>  
struct iterator_traits<const T*>  
{  
    typedef T value_type;  
}  

　　现在，不论是自定义的迭代器，还是原生指针int*或者是const int*，都可以通过iterator_traits获取到正确的value_type。

2.2 iterator_traits中定义的类型

       STL根据经验，定义了迭代器最常用到的五种类型：value_type、difference_type、pointer、reference、iterator_category，任何开发者如果想将自己开发的容器与STL结合在一起，就一定要为自己开发的容器的迭代器定义这五种类型，这样都可以通过统一接口iterator_traits萃取出相应的类型，下面列出STL中iterator_traits的完整定义：

tempalte<typename I>  
struct iterator_traits  
{  
    typedef typename I::iterator_category iterator_category;  
    typedef typename I::value_type value_type;  
    typedef typeanme I:difference_type difference_type;  
    typedef typename I::pointer pointer;  
    typedef typename I::reference reference;  
};  

 下面会分别介绍一下这五种类型：

(1) 迭代器类型之一：value_type
       value_type就是指迭代器所指对象的类型，例如，原生指针也是一种迭代器，对于原生指针int*，int即为指针所指对象的类型，也就是所谓的value_type。

(2) 迭代器类型之二：difference_type
       difference_type用来表示两个迭代器之间的距离，例如：

int array[5] = {1, 2, 3, 4, 5};  
int *ptr1 = array + 1;//指向2  
int *ptr2 = array + 3;//指向4  
ptrdiff_t distance = ptr2 - ptr1;//结果即为difference_type  

 上面代码中，指针ptr2与ptr1相减的结果的类型就是difference_type，对于原生指针，STL以C++内建的ptrdiff_t作为原生指针的difference_type。

(3) 迭代器类型之三：reference_type

       reference_type是指迭代器所指对象的类型的引用，reference_type一般用在迭代器的*运算符重载上，如果value_type是T，那么对应的reference_type就是T&；如果value_type是const T，那么对应的reference_type就是const T&。

(4) 迭代器类型之四：pointer

       pointer就是指迭代器所指的对象，也就是相应的指针，对于指针来说，最常用的功能就是operator*和operator->两个运算符。因此，迭代器需要对这两个运算符进行相应的重载工作：

T& operator*() const { return *ptr; } // T& is reference type  
T* operator->() const { return ptr; } // T* is pointer type  

5) 迭代器类型之五：iterator_category

       iterator_category的作用是标识迭代器的移动特性和可以对迭代器执行的操作，从iterator_category上，可将迭代器分为Input Iterator、Output Iterator、Forward Iterator、Bidirectional Iterator、Random Access Iterator五类，具体为什么要这样分类，简单来说，就是为了尽可能地提高效率，这也是STL的宗旨之一。具体的情况已经在本人的“《STL源码剖析》学习之迭代器”中详细介绍过，这里就不在多说了。

2.3 iterator_traits完整定义

       为了保证iterator_traits可以正常工作，STL提供了一个iterator类，所有自定义的迭代器都必须继承自它，这样才能保证这些自定义的迭代器可以顺利地狱其它STL组件进行协作，iterator类具体定义如下：

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

 　　类iterator不包含任何成员变量，只有类型的定义，因此不会增加额外的负担。由于后面三个类型都有默认值，在继承它的时候，只需要提供前两个参数就可以了，如：

template <typename T>  
class ListIter : public std::iterator<std::forward_iterator_tag, T>  
{  
    //...  
}