Item 47: Use traits classes for information about types.
C++中的 Traits 类可以在编译期提供类型信息,它是用Traits模板及其特化来实现的。 通过方法的重载,可以在编译期对类型进行”if…else”判断。我们通过STL中的一个例子来介绍Traits的实现和使用。
本文以iterator_traits
为例介绍了如何实现traits类,以及如何使用traits类(在Item 42中提到过iterator_traits
)。 其实C++标准库中还提供了很多其他的traits,比如char_traits
, numeric_limits
等。
STL提供了很多的容器、迭代器和算法,其中的advance
便是一个通用的算法,可以让一个迭代器移动n步:
template<typename IterT, typename DistT>void advance(IterT& iter, DistT d); // 如果d小于0,就逆向移动
STL迭代器回顾
最简单的迭代器是输入迭代器(input iterator)和输出迭代器(output iterator), 它们只能向前移动,可以读取/写入它的当前位置,但只能读写一次。比如ostream_iterator
就是一个输出迭代器。
比它们稍强的是前向迭代器(forward iterator),可以多次读写它的当前位置。 单向链表(slist
,STL并未提供)和TR1哈希容器的迭代器就属于前向迭代器。
双向迭代器(bidirectional iterator)支持前后移动,支持它的容器包括set
, multiset
, map
, multimap
。
随机访问迭代器(random access iterator)是最强的一类迭代器,可以支持+=
, -=
等移动操作,支持它的容器包括vector
, deque
,string
等。
Tag 结构体
对于上述五种迭代器,C++提供了五种Tag来标识迭代器的类型,它们之间是”is-a”的关系:
struct input_iterator_tag {};struct output_iterator_tag {};struct forward_iterator_tag: public input_iterator_tag {};struct bidirectional_iterator_tag: public forward_iterator_tag {};struct random_access_iterator_tag: public bidirectional_iterator_tag {};
现在回到advance
的问题,它的实现方式显然取决于Iter
的类型:
template<typename IterT, typename DistT>void advance(IterT& iter, DistT d){ if (iter is a random access iterator) { iter += d; // use iterator arithmetic } // for random access iters else { if (d >= 0) { while (d--) ++iter; } // use iterative calls to else { while (d++) --iter; } // ++ or -- for other } // iterator categories}
怎么得到Iter
的类型呢?这正是traits的作用。
Traits
traits允许我们在编译期得到类型的信息。traits并非一个关键字,而是一个编程惯例。
traits的另一个需求在于advance
对与基本数据类型也能正常工作,比如char*
。所以traits不能借助类来实现, 于是我们把traits放到模板中。比如:
template<typename IterT> // template for information aboutstruct iterator_traits; // iterator types
iterator_traits<IterT>
将会标识IterT
的迭代器类别。iterator_traits
的实现包括两部分:
用户类型的迭代器
在用户定义的类型中,typedef该类型支持迭代器的Tag,例如deque
支持随机迭代器:
template < ... > // template params elidedclass deque {public: class iterator { public: typedef random_access_iterator_tag iterator_category; }:};
然后在全局的iterator_traits
模板中typedef
那个用户类型中的Tag,以提供全局和统一的类型识别。
template<typename IterT>struct iterator_traits { typedef typename IterT::iterator_category iterator_category;};
基本数据类型的指针
上述办法对基本数据类型的指针是不起作用的,我们总不能在指针里面typedef
一个Tag吧? 其实这时只需要偏特化iterator_traits
,因为内置类型指针都是可以随机访问的:
template<typename IterT> // partial template specializationstruct iterator_traits<IterT*>{ typedef random_access_iterator_tag iterator_category;};
你已经看到了实现一个traits类的整个过程:
- 确定你希望提供的类型信息。比如你希望提供
deque
的iterator
类型; - 为那个信息起一个名字。比如
iterator_catetory
; - 提供一个模板以及必要的特化,来包含你希望提供的类型信息。比如
iterator_traits
。
advance的实现
我们已经用iterator_traits
提供了迭代器的类型信息,是时候给出advance
的实现了。
template<typename IterT, typename DistT>void advance(IterT& iter, DistT d) { if (typeid(typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category) == typeid(std::random_access_iterator_tag)) ...}
上述实现其实并不完美,至少if
语句中的条件在编译时就已经决定,它的判断却推迟到了运行时(显然是低效的)。 在编译时作此判断,需要为不同的iterator
提供不同的方法,然后在advance
里调用它们。
template<typename IterT, typename DistT>void advance(IterT& iter, DistT d) { doAdvance( // call the version iter, d, // of doAdvance typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category() ); } // 随机访问迭代器template<typename IterT, typename DistT>void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::random_access_iterator_tag) { iter += d;}// 双向迭代器template<typename IterT, typename DistT>void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::bidirectional_iterator_tag) { if (d >= 0) { while (d--) ++iter; } else { while (d++) --iter; }}// 输入迭代器template<typename IterT, typename DistT>void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::input_iterator_tag) { if (d < 0 ) { throw std::out_of_range("Negative distance"); // see below } while (d--) ++iter;}
总结一下上面代码是如何使用traits类的:
- 创建一系列的”worker”函数,拥有不同的traits参数。根据traits参数来提供相应的实现;
- 创建一个”master”函数来调用这些”worker”,并将traits类提供的信息传递给”worker”。
本文地址:http://harttle.com/2015/09/15/effective-cpp-47.html
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