traits编程技术
来源:互联网 发布:多线程编程demojava 编辑:程序博客网 时间:2024/05/22 03:12
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:
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?
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:
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?
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:
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。
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:
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
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:
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:
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:
大家在进行函数重载的时候,应该都曾遇到过以下的情况:
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?
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:
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:
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:
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:
(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:
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:
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