Boolan（博览网）——STL与泛型编程（第七周）

目录

1. 源代码之分布（VC， GCC）

2. 面向对象编程（Object-Oriented Programming，OOP） vs. 泛型编程 （Generic Programming，GP）

3. 阅读C++标准库源码（Source Code）之必要基础：操作符重载（Operator Overloading）and 模板(Templates)

4. 分配器（allocators）

5. 迭代器（Iterator）的设计原则和 Iterator Traits 的作用与设计

6. 容器之间的实现关系与分类

7. 深度探索 vector

8. 深度探索 list

9. 浅谈 array & forward_list

1. 源代码之分布（VC， GCC）

• VC：...\include
• GCC：...\4.9.2\include\C++
  • 原生标准库：...\include\C++\bits
  • 扩充标准库：...\include\C++\ext

2. 面向对象编程（Object-Oriented Programming，OOP） vs. 泛型编程 （Generic Programming，GP）

问：为什么 list 不能使用 ::sort() 排序？

答：只有随机访问迭代器才能进行上述加减乘除，而 list 在内存里面是一个一个结点用指针串起来的，并不是一个连续空间，所以它所具备的迭代器是不能够跳来跳去的，它只能一个一个前进或后退。
因此标准库中的 ::sort() 所需要的迭代器是 list 中提供的迭代器所不能满足的。

操作符重载扮演了非常重要的角色。

如果需要定制特殊的算法，对特定“比大小”功能的设计就显得尤为重要。

3. 阅读C++标准库源码（Source Code）之必要基础：操作符重载（Operator Overloading）and 模板(Templates)

3.1 操作符重载（Operator Overloading）

因为之前的笔记中对操作符重载已经有比较详细的介绍，这里就不赘述了，只简单的罗列一些要注意的点：

当一个重载的运算符是成员函数时， this 绑定到左侧运算对象。成员运算符函数的（显式）参数数量比运算对象的数量要少一个。

可以（不能）被重载的运算符：

通常情况下，不应该重载逗号、取地址、逻辑与和逻辑或运算符。

3.2 模板(Templates)

模板是 C++ 中泛型编程的基础。一个模板就是一个创建类或函数的蓝图或者说公式。

模板定义以关键字 template 开始，后跟一个模板参数列表（template parameter list），其不能为空。

当使用模板时，我们（隐式地或显式地）指定模板实参（template argument），将其绑定到模板参数上。

模板类型参数前必须使用关键字 class 或 typename。
在模板参数列表中，这两个关键字的含义相同，可以互换使用。

3.2.1 模板类型

主要有类模板，函数模板和成员模板三种类型：

3.2.1.1 类模板（Class Templates）

编译器不能为类模板推断模板参数类型，因此必须显式使用。

3.2.1.2 函数模板（Function Templates）

编译器自动为函数模板推断模板参数类型。

3.2.1.3 成员模板（Member Templates）

成员模板不能是虚函数。

3.2.2 模板特化（Specialization）

模板的特化就是一个独立的定义，在其中一个或多个模板参数被指定为特定的类型。
注意：特化的本质是实例化一个模板，而非重载它。因此，特化不影响函数匹配。

特化：

偏特化（个数的偏特化和范围的偏特化）：

4. 分配器（allocators）

标准库 allocator 类定义在头文件 memory 中，它帮助我们将内存分配和对象构造分离开来。它提供一种类型感知的内存分配方法，它分配的内存是原始的、未构造的。

蓝色部分：切实需要的空间大小
灰色部分：debug mode 模式的空间需求
红色部分：cookie，帮助编译器识别此段空间的内容
绿色部分：用来调整边界，使空间分配统一化

4.1 VC6 STL 中的分配器设计

• (int*)0：只为了告诉函数是 int 型
• typename 后面加（）构成一个临时对象
• VC 中的分配器最终就是调用 C 中的 malloc 和 free， 没有任何特殊的设计

4.2 BC5 STL 中的分配器设计

4.3 G2.9 STL 中的分配器设计（侯大师推荐！可读性非常高！）

此处的设计并未被使用。

设计目的：减少额外开销（避免之前那种用cookie包起来的大量额外开销）

4.4 G4.9 STL 中的分配器设计

又用回传统方式了-。-

若要使用 G2.9 中设计的 alloc，就要像用例中那样。

5. 迭代器（Iterator）的设计原则和 Iterator Traits 的作用与设计

5.1 迭代器的设计原则

不论是泛型思维或 STL 的实际运用，迭代器都扮演者重要的角色。 STL 的中心思想在于：将数据容器（containers）和算法（algorithms）分开，彼此独立设计，最后再通过“粘合剂”将它们撮合在一起。容器和算法的泛型化，从技术角度来看并不困难，C++ 的 class templates 和 function templates 可分别达成目标。如何设计出两者之间的良好胶粘剂，才是大难题。

迭代器是一种行为类似指针的对象，而指针的各种行为中最常见也最重要的便是内容提领（dereference）和成员访问（member access），因此，迭代器最重要的编程工作就是对 operator* 和 operator-> 进行重载（overloading）工作。关于这一点，C++ 标准程序库有一个 auto_ptr 可供我们参考。这是一个用来包装原生指针（native pointer）的对象，声名狼藉的内存泄漏（memory leak）问题可藉此获得解决。简化版的 auto_ptr（源代码在头文件中） 如下，可具体说明 auto_ptr 的行为与能力：

template
class auto_ptr {
public:
  explicit auto_ptr(T *p = 0):pointee(p) {}
  template
  auto_ptr(auto_ptr& rhs):pointee(rhs.release()) {}
  ~auto_ptr() { delete pointee; }

  template
  auto_ptr& operator = (auto_ptr& rhs) {
    if (this != &rhs) reset(rhs.release());
    return *this;
  }
  T& operator*() const { return *pointee; }
  T* operator->() const { return pointee; }
  T* get() const { return pointee; }
  // ...
private:
    T *pointee;
};

5.2 迭代器相应型别（associated types）

在算法中运用迭代器时，很可能会用到其相应型别（associated type）。什么是相应型别呢？迭代器所指之物的型别便是其一。假设算法中有必要声明一个变量，以“迭代器所指对象的型别”为型别，如何是好？毕竟 C++ 只支持 sizeof()，并未支持 typeof()！即便动用 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。

那么解决办法是：利用 function template 的参数推导（argument deduction）机制。例如：

template 
void func_impl(I iter, T t)
{
  T tmp; // 这里解决了问题。T 就是 迭代器所指之物的型别，本例为 int

   //  ...  这里做原本 func() 应该做的全部工作
};

tempalte 
inline
void func(I iter)
{
  func_impl(iter, *iter);  //  func 的工作全部移往 func_impl
}

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

我们以 func() 为对外接口，却把实际操作全部置于 func_impl() 之中。由于 func_impl() 是一个function template，一旦被调用，编译器会自动进行 template 参数推导。于是导出型别 T，顺利解决了问题。

迭代器相应型别（associated types）不只是“迭代器所指对象的型别”一种而已。最常用的型别有五种，然而并非任何情况下任何一种都可利用上述的 template 参数推导机制来取得。于是 traits 应运而生。

5.3 Traits 编程技法——STL 源代码门钥

下面这个 class template 专门用来“萃取”迭代器的特性，而 value type 正是迭代器的特性之一：

template 
struct iterator_traits {   // traits 意为“特性”
  typedef typename I::value_type value_type;
};

这个所谓的 traits，其意义是，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。

根据经验，最常用到的迭代器相应型别有五种： value type（迭代器所指对象的类型），difference type（两个迭代器之间的距离），pointer，reference，iterator category（迭代器的分类）。

C++ 标准库中只出现过以下三种相应型别：

声明一个无法赋值（因 const 之故）的暂时变量，没什么用！因此，如果迭代器是个 pointer-to-const，我们应该设法令其 value type 为一个 non-const 型别。利用偏特化，我们就可进行如下设计：

完整的 iterator_traits 如下：

除了 iterator traits 以外，标准库里还设计了各式各样的 traits 满足不同的需求，如：

6. 容器之间的实现关系与分类

本图以内缩方式来表达基层与衍生层的关系。这里所谓的衍生，并非派生（inheritance）关系，而是内含（containment）关系。例如 heap 内含一个 vector。

此处 sizeof() 为控制数据结构本身所需要的空间大小，而不是放入其中的数据的占用空间。

接下来我们分门别类讲讲几种典型的序列式容器（sequential containers）。

7. 深度探索 vector

vector 的数据安排以及操作方式，与 array 非常相似。两者的唯一差别在于空间的运用的灵活性：

• array 是静态空间，一旦配置了就不能改变；要换个大（或小）一点的空间，就非常麻烦：首先配置一块新空间，然后将元素从旧址一一搬往新址，再把原来的空间释还给系统。

• vector 是动态空间，随着元素的加入，它的内部机制会自行扩充空间以容纳新元素。因此，vector 的运用对于内存的合理利用与运用的灵活性有很大的帮助，我们再也不必害怕空间不足而一开始就要求一个大块头 array 了，我们可以安心使用 vector，吃多少用多少。

vector 的实现技术，关键在于其对大小的控制以及重新配置时的数据移动效率。一旦 vector 旧空间满载，如果客户端每新增一个元素，vector 内部只是扩充一个元素的空间，实为不智，因为所谓扩充空间（不论多大），一如稍早所说，是“配置新空间——数据移动——释还旧空间”的大工程，时间成本很高，应该加入某种未雨绸缪的考虑，因此标准库中的 vector 使用了“二倍成长”的空间配置策略：

当我们以 push_back() 将新元素插入于 vector 尾端时，该函数首先检查是否还有备用空间，如果有就直接在备用空间上构造元素，并调整迭代器 finish，使 vector 变大。如果没有备用空间了，就扩充空间（重新配置、移动数据、释放原空间）：

这段代码不仅被 push_back 用，也被 insert 用，所以还要拷贝安插点后的原内容

注意：所谓动态增加大小，并不是在原空间之后接续新空间（因为无法保证原空间之后尚有可供配置的空间），而是以原大小的两倍另外配置一块较大空间，然后将原内容拷贝过来，最后才开始在原内容之后构造新元素，并释放原空间。因此，对 vector 的任何操作，一旦引起空间重新配置，指向原 vector 的所以迭代器就都失效了。这是程序员容易犯的一个错误，务必小心！

8. 深度探索 list

8.1 list 概述

相较于 vector 的连续线性空间，list 就显得复杂许多，它的好处是每次插入或删除一个元素，就配置或释放一个元素空间。因此，list 对于空间的运用有着绝对的精准，一点也不浪费。而且，对于任何位置的元素插入或元素移除，list 永远是常数时间。

list 和 vector 是两个最常被使用的容器。什么时机下最适合使用哪一种容器，必须视元素的多寡、元素的构造复杂度（有无 non-trivial copy constructor，非默认拷贝构造函数，non-trival copy assignment operator，非默认拷贝赋值运算符）、元素存取行为的特性而定。

• __list_node 中 prev 和 next 的型别都为 void*，使用时还要类型转换，不太理想，其实可设为 __list_node*
• list 是一个环状双向链表，所以它只需要一个指针，便可以完整表现整个链表。
• 如果让指针 node 指向刻意置于尾端的一个空白节点，node 便能符合 STL 对于“前闭后开”区间的要求，成为 last 迭代器。这么一来，begin() 、end()、empty()、size() 、front()、back() 等函数便可以轻易完成。

8.2 list 的迭代器

list 不再能够像 vector 一样以普通指针作为迭代器，因为其节点不保证在存储空间中连续存在。list 迭代器必须有能力指向 list 的节点，并有能力进行正确的递增、递减、取值、成员存取等操作（递增时指向下一个节点，递减时指向上一个节点，取值时取的是节点的数据值，成员取用时取用的是节点的成员），如下图：

由于 STL list 是一个双向链表（double linked-list），迭代器必须具备前移、后移的能力，所以 list 提供的是 Bidirectional Iterators。

list 有一个重要性质：插入操作（insert）和接合操作（splice）都不会造成原有的 list 迭代器失效。这在 vector 是不成立的，因为 vector 的插入操作可能造成记忆体重新配置，导致原有的迭代器全部失效。甚至 list 的元素删除操作（erase），也只有“指向被删除元素”的那个迭代器失效，其它迭代器不受任何影响。

• self operator++(int) 中的 int 无意义，用来表示后置++，函数体{ }内编译器先遇到重载的“=”，调用拷贝构造 copy ctor
• 前++的返回值带引用，后++不带引用，是向 int 型的设计看齐，保持一致性。（不允许后++两次，而前++可以）

G4.9 中 list iterator 的实现：

与G2.9 相比复杂太多

9. 浅谈 array & forward_list

array 就是固定内存空间的 vector，而 forward_list 是“阉割版”的 list，相关知识这里就不再赘述了。

部分内容参考自《C++ Primer 中文版（第5版）》以及《STL 源码剖析》