泛型编程 模板 Traits Tag 类型生成器 对象生成器 策略类

发信人: ajaxchelsea (苏梦枕), 信区: CPlusPlus
标  题: Re: 我的痛处：怎样才算精通C++（推荐资料）
发信站: BBS 水木清华站 (Fri Sep  5 11:00:15 2003), 转信


【 在 cxwangyi (江南一枝花) 的大作中提到: 】
: 看到本版上的内容多为OOP，generic programming 的不多，
: 小弟载boost.org上看到一篇文章介绍GP的一些基本概念，
: 写的清晰简练：
: http://www.boost.org/more/generic_programming.html
: 虽然完全理解，灵活运用这些概念方法可能需要至少
: 充分体验STL对这些方法的实用。但是有个目录也不错。是把。





主题：泛型编程技术(Generic Programming Techniques)
作者：David Abrahams
译者：Merlin Ran
原文：
http://www.boost.org/more/generic_programming.html

摘要：
本文大致地介绍一下Boost库中所用到的泛型编程技术

关键字：泛型编程 模板 Traits Tag 类型生成器 对象生成器 策略类

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1、何谓泛型编程
泛型编程（Generic Programming）关注于产生通用的软件组件，让这些组件在不同
的应用场合都能很容易地重用。在C++中，类模板和函数模板是进行泛型编程极为有
效的机制。有了这两大利器，我们在实现泛型化的同时，并不需要付出效率的代价。


作为泛型编程的一个简单例子，让我们看一下在C库中如何让memcpy()函数泛型化。
一种实现方法可能是这样的：

void* memcpy(void* region1, const void* region2, size_t n)
{
    const char* first = (const char*)region2;
    const char* last = ((const char*)region2) + n;
    char* result = (char*)region1;
    while (first != last)
        *result++ = *first++;
    return result;
}
    
这个memcpy()函数已经在一定程度上进行了泛型化，采取的措施是使用void*，这样
该函数就可以拷贝不同类型的数组。但如果我们想拷贝的数据不是放在数组里，而是
由链表来存放呢？我们能不能扩展这个概念，让它可以拷贝任意的序列？看看memcpy
()的函数体，这个函数对传入的序列有一个_最小需求_：它需要用某种形式的指针来
遍历这个序列；访问指针正指向的元素；把元素写到目的地；比较指针以判断何时停
止拷贝。C++标准库把这样的需求进行分组，称之为概念（concepts）。在这个例子
中就有输入迭代器（对应于region1）和输出迭代器（对应于region2）这两个概念。


如果我们把memcpy()用函数模板重写，使用输入迭代器和输出迭代器作为模板参数来
描述对序列的需求，我们就可以写出一个具有较高重用性的copy()函数：

template 
OutputIterator
copy(InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result)
{
    while (first != last)
        *result++ = *first++;
    return result;
}
    
使用这个泛型的copy()函数，我们可以拷贝各种各样的序列，只要它满足了我们指定
的需求。对外提供了迭代器的链表，比如std::list，也可以通过我们的copy()函数
来拷贝：

#include 
#include 
#include 
int main()
{
    const int N = 3;
    std::vector region1(N);
    std::list region2;
    
    region2.push_back(1);
    region2.push_back(0);
    region2.push_back(3);
    
    std::copy(region2.begin(), region2.end(), region1.begin());
    
    for (int i = 0; i < N; ++i)
        std::cout << region1[i] << " ";
    std::cout << std::endl;
}
    
2、何谓概念？
概念就是需求的集合，这些需求可以包含有效表达式、相关类型、不变性，以及复杂
度保证。满足概念中所有需求的类型，称之为此概念的一个样例。一个概念可以是对
别的概念的扩展，称之为概念的细化。

有效表达式：任意的C++表达式。若某类型是概念的一个样例，那么把该类型的一个
对象代入此表达式中，该表达式必能通过编译。 
相关类型：与样例相关的一些类型，它们和样例共同出现在一个或多个有效表达式中
。如果样例类型是自定义类型，则相关类型可以由类定义中所嵌套的一些typedef来
访问。相关类型经常也通过traits类来访问。 
不变性：对象的一些运行时特征，必须为真。所有用到这个对象的函数，都必须保持
这种特征。不变性通常以前置条件和后置条件的形式出现。 
复杂度保证：对概念中的有效表达式执行所需时间或资源所做的限制。 
C++标准库中所使用的概念在SGI STL网站上有详细的文档说明。

3、Traits
traits类为访问编译时实体（类型、整数常量，或者地址）的相关信息提供了一条途
径。比如，类模板std::iterator_traits看起来是这个样子：

template 
struct iterator_traits {
    typedef ... iterator_category;
    typedef ... value_type;
    typedef ... difference_type;
    typedef ... pointer;
    typedef ... reference;
};
    
该traits的value_type可以让泛型代码得知该迭代器所“指向”的是何种类型的数据
；而iterator_category对迭代器的能力进行分类，针对不同类型的迭代器我们选择
与之适应的最高效的算法。

traits模板有一个很重要的特点：它们是非侵入的（non-intrusive）。我们可以为
任何类型提供相关信息，不管它是内建的类型，还是第三方的库中提供的类型。为了
给某一特定类型指定traits，一般采用部分特化或者全特化traits模板的方式。

欲更深入的了解std::iterator_traits，可以参阅SGI提供的资料。std::numeric_limits
也采用了traits技术，提供表示各内建数值类型取值范围的常量值。

4、标记分派
另外有一种技术经常与traits合用，那就是标记分派。它依据类型的属性，通过函数
重载进行分派。一个很好的例子就是std::advance()函数。这个函数的功能是将一个
迭代器递增n次，对于不同类型的迭代器可以有各自优化的实现方法。如果是随机访
问迭代器（可以以任意的距离前后跳转），advance()函数可以用i+=n来实现，既简
单又高效，只需要常量时间。而其它的迭代器必须一步一步地递增，需要线性的时间
复杂度。如果是双向迭代器，n就可能为负值，因此必须判断对迭代器到底是增还是
减。

标记分派和traits类的联系很紧密。分派所依据的属性（在这个例子中是iterator_category
）一般都是通过traits类来取得。主advance()函数从iterator_traits中获得对应于
该iterator的iterator_category，然后调用重载过的advance_dispach()函数。编译
器依据作为参数传给advance_dispach()的iterator_category，选择合适的重载版本
。标记只是一个极其简单的类，它的唯一任务就是为标记分派或者其它类似技术传递
必要的信息。

namespace std {
  struct input_iterator_tag { };
  struct bidirectional_iterator_tag { };
  struct random_access_iterator_tag { };

  namespace detail {
    template 
    void advance_dispatch(InputIterator& i, Distance n, input_iterator_tag
) {
      while (n--) ++i;
    }

    template 
    void advance_dispatch(BidirectionalIterator& i, Distance n,
       bidirectional_iterator_tag) {
      if (n >= 0)
        while (n--) ++i;
      else
        while (n++) --i;
    }

    template 
    void advance_dispatch(RandomAccessIterator& i, Distance n,
       random_access_iterator_tag) {
      i += n;
    }
  }

  template 
  void advance(InputIterator& i, Distance n) {
    typename iterator_traits::iterator_category category;
    detail::advance_dispatch(i, n, category);
  }
}
    
5、适配器
适配器是一种类模板，建立在其它类型之上，提供新的接口或者行为。标准库中就使
用了适配器，比如std::reverse_iterator通过反转迭代器的递增/递减行为，适配了
迭代器，还有std::stack，通过适配标准容器，提供一个简单的堆栈接口。


在这里可以找到标准库中所用适配器的深入阐述。

6、类型生成器
类型生成器的工作是依据它的模板参数合成新的类型[注]。类型生成器产生的新类型
一般作为生成器中嵌套的typedef出现。用类型生成器的主要目的是为了让复杂的类
型表达式显得更简单些。比如boost::filter_iterator_generator：

template      class Value = complicated default,
    class Reference = complicated default,
    class Pointer = complicated default,
    class Category = complicated default,
    class Distance = complicated default
         >
struct filter_iterator_generator {
    typedef iterator_adaptor<
        Iterator,filter_iterator_policies,
        Value,Reference,Pointer,Category,Distance> type;
};
    
看起来可真够复杂的。但现在生成一个合适的filter iterator可就容易多了，只需
要写：

boost::filter_iterator_generator::type
    
就行了。

7、对象生成器
对象生成器是一种函数模板，依据其参数产生新的对象。可以把它想象成泛型化的构
造函数。有些情况下，欲生成的对象的精确类型很难甚至根本无法表示出来，这时对
象生成器可就管用了。对象生成器的优点还在于它的返回值可以直接作为函数参数，
而不像构造函数那样只有在定义变量时才会调用。Boost和标准库中用到的对象生成
器大多都加了个前缀make_，比如std::make_pair(const T&, const U&)。

看看下面的例子：

struct widget {
  void tweak(int);
};
std::vector widget_ptrs;
    
通过把两个标准的对象生成器bind2nd和mem_fun合用，我们可以很轻松地tweak所有
的widget：

void tweak_all_widgets1(int arg)
{
   for_each(widget_ptrs.begin(), widget_ptrs.end(),
      bind2nd(std::mem_fun(&widget::tweak), arg));
}
    
如果不用对象生成器，上面的函数可能就得这样来实现：

void tweak_all_widgets2(int arg)
{
   for_each(struct_ptrs.begin(), struct_ptrs.end(),
      std::binder2nd >(
          std::mem_fun1_t(&widget::tweak), arg));
}
    
表达式越复杂，就越需要缩短这些冗长的类型说明，对象生成器的好处也就越能显现
。

8、策略类
策略类就是用来传递行为的模板参数。标准库中的std::allocator就是策略类，把内
存管理的行为应用到标准容器中。

Andrei Alexandrescu在他的文章中对策略类进入了全面而深入的分析，他写道：

“策略类精确地反映了设计时的抉择。他们要么从其它类中继承，要么包含在其它类
中。策略类在同样的句法结构上提供了不同的策略。使用策略的类把它用到的每一个
策略都作为模板参数，这样，用户就可以自由地选择需要使用的策略。

策略类的强大在于它们能够自由地组合在一起。通过把策略类作为模板参数的办法来
组合多种策略，代码量与使用的策略数只成线性关系。”

Andrei认为策略类的强大源于其小粒度和正交性。Boost在迭代适配器库中的策略类
运用可能淡化了这一卖点。在这个库中，所有已适配的迭代器的行为都放在一个策略
类里面。其实，Boost并不是开先河者。std::char_traits就是一个策略类，它决定
了std::basic_string的行为，尽管它的名字叫traits而不叫policy。

注：因为C++缺少模板化的typedef，类型生成器可以作为其替代方案。


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Revised 14 Mar 2001

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翻译于2003年5月9日

版权声明：和David Abrahams的一样:-)