【STL】迭代器与Traits编程技法（四）

一、概念

【迭代器】
迭代器（iterators）是一种抽象的概念，设计模式中的迭代器模式定义如下：提供一种方法，使之能够依序巡访某个聚合物（容器）所含的各个元素，而又无需暴露该聚合物的内部表达方式。
STL的中心思想在于：将数据容器和算法分开，彼此独立设计，最后再以一贴胶着剂将它们撮合在一起。而迭代器就是这个胶着剂。
为了不暴露容器内部的表达方式，将迭代器的开发工作交给每个容器的设计者，如此一来，所有的实现细节反而得以封装起来，不被使用者看到。STL容器都提供有专属的迭代器缘故。

【Traits编程技法】
traits编程技法大量运用于STL中，它利用“内嵌型别”的编程技法与编译器的template参数推导功能，增强了C++未提供的关于型别认证方面的能力。
traits编程技法只是一种技巧，它的有效运作要依赖于迭代器。下文在介绍迭代器的用法时会同时介绍如果用traits编程技法会带来什么效果。

二、迭代器与Traits关系

2.1 迭代器型别定义变量类型（模板参数推导）

【问题】
如何以“迭代器所指对象的型别”（这里称为value type）为型别来定义一个变量呢？
由于C++只支持sizeof()，并未支持typeof()，即使动用RTTI性质中的typeid()，获得的也只是型别名称，不能拿来做变量声明之用。

【解决办法】
可以利用function template的参数推导机制。
例如：

template<class I, class T>
void func_impl(I iter, T t)
{
	T tmp; //这里解决以迭代器所指型别来定义一个变量。
	//...
}

template<class I>
inline void func(I iter)
{
	func_impl(iter, *iter);
}

int main()
{
	int i;
	func(&i);
}

编译器会自动进行template参数推导，于是就导出了型别T。

2.2 迭代器型别定义函数返回值类型（内嵌型别）

【问题】
在2.1中我们利用“template参数推导”出了函数参数型别，但是无法推导函数的返回值类型。

【解决办法】
通过声明内嵌型别可以解决上述问题。
例如：

template <class T>
struct MyIter
{
	typedef T value_type; //内嵌型别声明
	T* ptr;
	MyIter(T* p=0) : ptr(p){}
	T& operator*() const{return *ptr;}
	//...
};

template<class T>
typename I::value_type func(I ite)
{return *ite;}

MyIter<int> ite(new int(8));
cout << func(ite);

【注意】
func()的返回型别必须加上关键字typename，因为T是一个template参数，在它被编译器具现化之前，编译器对T一无所知，即编译器不知到MyIter::value_type代表的是一个型别或是一个member function或是一个data member，关键词typename的用意在于告诉编译器这是一个型别，这样才能顺利编过。

2.3 偏特化

【问题】
并不是所有的迭代器都是class type。原生指针就不是。如果不是class type，就无法为他定义内嵌型别了，但STL绝对必须接受原生指针作为一种迭代器。

【解决办法】
template partial specialization 可以解决上述问题。所谓partial specialization的意思是提供另一份template的定义式，而其本身仍为templatized。
如果class template拥有一个以上的template参数，我们可以针对其中某个（或数个，但非全部）template参数进行特化工作。
例如：

template
class C { ... }; //这个泛化版本允许（接受）T为任何类型。

特化版本：

template
class C {...}; //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”便是“T为任何类型”的一个更近一步的条件限制。

这个偏特化就解决了“内嵌型别”针对原生指针并非class type而无法定义内嵌型别的问题。

2.4 Traits（萃取）

上述说道的参数推导及定义内嵌型别说道的都是迭代器的特性之一value type。我们看看如果用Traits技法会是什么样的一个结果。
value type萃取模板

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

所谓的traits是指如果I定义有自己的value type，那么通过这个traits的作用，萃取出来的value type就是I::value_type。
例如：

template<class T>
typename I::value_type func(I ite)
{return *ite;}

//可写成这样
template<class T>
typename iterator_traits<I>::value_type func(I ite)
{return *ite;}

iterator_traits::value_type

相对于

I::value_type 

多了一层间接性，这有什么好处呢？好处是traits可以拥有偏特化版本。我们令iterator_traites拥有一个偏特化版本，如下：

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

于是，原生指针int* 虽然不是一种class type，则通过traits取其value type。
针对“指向参数对象的指针(pointer-to-const)”特化版本如下：

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

现在不论面对的迭代器是class type还是原生指针int* 或const int*这种，都可以通过traits取出正确的value type。
图2-4说明了traits所扮演的“特性萃取机”的角色。

图2-4

若要这个“特性萃取机”traits能够有效运作，每一个迭代器必须遵循约定，自行以内嵌型别定义的方式定义出相应的型别，这是一个约定。

三、迭代器的型别

迭代器的型别分为以下几种:

template<class I>
struct iterator_traits{
	typedef typename I::iterator_category iterator_category;//迭代器分类 
	typedef typename I::value_type value_type;//相应型别 
	typedef typename I::difference_type difference_type;//两个迭代器之间的距离 
	typedef typename I::pointer pointer;//指针 
	typedef typename I::reference reference;//引用 
}; 

• 如果你希望你所开发的容器能与STL水乳交融，那你一定要为你的容器的迭代器定义这五种相应型别。
• iterator_traits必须针对传入的型别为pointer及pointer-to-const设计特化版本。

3.1 value type

value type是指迭代器所指对象的型别。任何一个打算与STL算法有完美搭配的class，都应该定义自己的value type型别。

3.2 difference type

diffenence type用来表示两个迭代器之间的距离，因此它也可以用来表示一个容器的最大容量，因为对于连续空间的容器而言，头尾之间的距离就是其最大的容量。
例如：

template<class I, class T>
typename iterator_traits<I>::difference_type count(I first, I last, const T& value)
{
	typename iterator_traits<I>::difference_type n = 0;
	for( ; first != last; ++first)
		if(*first == value)
			++n;
	return n;		 
}

针对相应型别的difference type，traits的如下两个针对原生制作的而写的特化版本，以C++内建的ptrdiff_t作为原生指针的difference type。

template <class I>
struct iterator_traits
{
	...
	type typename I::difference_type difference_type；
	...
};

针对原生指针而设计的偏特化版本

template <class T>
struct iterator_traits<T*>
{
	...
	typedef ptrdiff_t difference_type;
	...
};

针对原生的pointer-to-const而设计的偏特化版本。

template <class T>
struct iterator_traits<const T*>
{
	...
	typedef ptrdiff_t difference_type;
	...
}

3.3 reference type

这个主要是指在C++中，函数如果要传回左值，都是以by reference（T&）的方式进行的。也就是说你可以修改函数传回的值。如果不想修改那就不要以reference type设置函数传回值。

3.4 pointer type

这个就是地址类型，即函数传回的左值是表示所指之物的地址。这个针对原生指针pointer和pointer-to-const也设计了偏特化版本。可参考4.2。

3.5 iterator_category

这个是指迭代器的分类，根据移动特性和施行操作，可分为五类：

• Input Iterator：表示迭代器所指对象不允许外界改变，只读。
• Output Iterator：只可写。
• 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。
• Bidirectional Iterator：可双向移动。某些算法需要逆向走访某个迭代器区间（例如逆向拷贝某范围内的元素），可以使用此种迭代器。
• Random Access Iterator：前四种迭代器都只供应一部分指针算术能力（前三种支持operator++，第四种再加上operator–），第五种则涵盖所有指针算术能力，包括p+n， p-n，p[n]，p1-p2，p1 < p2。

迭代器的分类与从属关系如下图4-5：

图3-5

这种从属关系不是继承关系，而是所谓的概念与强化关系。

在设计算法时，为提供最大效率我们需要为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份定义，这样才能在不同情况下提供最大效率。假设有个算法用Forward Iterator最合适，但你将Random Access Iterator传给它也行，因为根据图4-5的从属关系，这样是可以的，但这并不是表示最佳的，因为算法内部会根据不同的类型做特殊的性能优化。

四、_ _type_traits

iterator_traits负责萃取迭代器的特性，也就是我们前文所述内容。
_ _type_traits负责萃取型别的特性，这里所关注的型别特性是指：

• 是否具备non-trival defalt ctor。
• 是否具备non-trivial copy ctor。
• 是否具备non-trival assignment。
• 是否具备non-trival dtor。

如果答案是否定的，我们在对这个型别进行构造、析构、拷贝、赋值等操作时，就可以采用最有效率的措施。例如根本不调用身居高位，不谋实事的那些constuctor，destructor，而直接采用内存处理的操作如malloc()，memcpy()等等，获得最大效率。

SGI内部针对__type_traits定义的一些typedefs。

template <class type>
struct __type_traits { 
   typedef __true_type     this_dummy_member_must_be_first;
                   /* Do not remove this member. It informs a compiler which
                      automatically specializes __type_traits that this
                      __type_traits template is special. It just makes sure that
                      things work if an implementation is using a template
                      called __type_traits for something unrelated. */

   /* The following restrictions should be observed for the sake of
      compilers which automatically produce type specific specializations 
      of this class:
          - You may reorder the members below if you wish
          - You may remove any of the members below if you wish
          - You must not rename members without making the corresponding
            name change in the compiler
          - Members you add will be treated like regular members unless
            you add the appropriate support in the compiler. */
 

   typedef __false_type    has_trivial_default_constructor;
   typedef __false_type    has_trivial_copy_constructor;
   typedef __false_type    has_trivial_assignment_operator;
   typedef __false_type    has_trivial_destructor;
   typedef __false_type    is_POD_type;
};

这些值不是__true_type就是__false_type。

struct __true_type 
{
};

struct __false_type
{
};

由于编译器只会对class object形式的参数进行推导，所以定义两个空白classes。这两个classes无任何成员，不会带来额外负担，却又能标示真假。，我们编译器参数推导需求。