STL学习之迭代器和trait编程技巧

一、迭代器的概念

迭代器是STL将数据容器和算法分开后连接的纽带，也是泛型思维发展的必然结果。泛型算法就是通过迭代器操作容器的，使得算法和容器本身分离开来。

迭代器模式：提供一种方式，可以依次访问一个聚合物（容器）中所有元素而不暴露聚合物内部的表达方式。

迭代器类似与智能指针，但是它一般不会对所指向的元素进行释放空间，因为迭代器只是在指针外面包裹一层外加一些操作。迭代器最重要编码工作是完成一些操作符的重载，这些重载都是针对指针类型的操作，例如，++，——，*，->等，不同类型的迭代器完成的功能都不相同，详解见下文。

迭代器定义的位置最好是在容器内，将定义的任务交给了容器的设计者，因为每一种容器都对应一种迭代器，而定义在内部也不会暴露容器的内部元素。

二、迭代器型别和trait编程

迭代器的型别主要有五种：value_type,catalog,reference,pointer,diffrence。分别代表这迭代器所指对象类型，迭代器类型，迭代器所指类型引用，迭代器所指类型指针，用什么类型表示迭代器之间距离（如int类型）。如何提取这些迭代器都有的特性呢？

首先，为所有的迭代器提供一个型别类型，每定义一个迭代器都必须继承该型别类型。

template <class Category, class T, class Distance = ptrdiff_t,
          class Pointer = T*, class Reference = T&>
struct iterator {
  typedef Category  iterator_category;
  typedef T         value_type;
  typedef Distance  difference_type;
  typedef Pointer   pointer;
  typedef Reference reference;
};

当定义迭代器的时候，必须给定迭代器的特性。STL为提取迭代器的特性，提供了一个模板类iterator_trait，适用于所有的迭代器和原生指针，定义如下

template <class Iterator>
struct iterator_traits
{
  // 迭代器类型, STL提供五种迭代器
  typedef typename Iterator::iterator_category iterator_category;

  // 迭代器所指对象的型别
  // 如果想与STL算法兼容, 那么在类内需要提供value_type定义
  typedef typename Iterator::value_type        value_type;

  // 这个是用于处理两个迭代器间距离的类型
  typedef typename Iterator::difference_type   difference_type;

  // 直接指向对象的原生指针类型
  typedef typename Iterator::pointer           pointer;

  // 这个是对象的引用类型
  typedef typename Iterator::reference         reference;
};

// 针对指针提供特化版本
template <class T>
struct iterator_traits<T*>
{
  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
  typedef T                          value_type;
  typedef ptrdiff_t                  difference_type;
  typedef T*                         pointer;
  typedef T&                         reference;
};

// 针对指向常对象的指针提供特化
template <class T>
struct iterator_traits<const T*>
{
  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
  typedef T                          value_type;
  typedef ptrdiff_t                  difference_type;
  typedef const T*                   pointer;
  typedef const T&                   reference;
};

指针并非类型，因此需要偏特化成一个模板对应指针的特性，可以看出，指针是随机访问迭代器类型。

迭代器的类型有五种：输入、输出、前向、双向、随机访问五种迭代器，输入和输出分别只读和只写，只能向前不能向后，前向迭代器可以进行读写，只能向前，双向迭代器可以向前和向后移动，但每次只能移动一次，随机访问迭代器可以跳跃移动，与原生指针操作相同。

STL中构建了这五种类别，用于标识迭代器的类别。

// 用于标记迭代器类型
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 {};

可以看出继承关系，使用template元编程技术，之所以使用结构体或类型，是为了进行参数推导，将判断在编译期执行而非运行期，因为每个迭代器操作不同，因此需要不同的函数版本对应不同迭代器。

三、_type_trait

以上讲的是迭代器的特性提取，还有类型的特性提取。类型的型别主要有五种：has_trivial_default_constructor、has_trivial_copy_constructor、has_trivial_assignment_operator、has_trivial_destructor、is_POD_type。

STL提供的模板_type_trait类

template <class type>
struct __type_traits
{
    // 不要移除这个成员
    // 它通知能自动特化__type_traits的编译器, 现在这个__type_traits template是特化的
    // 这是为了确保万一编译器使用了__type_traits而与此处无任何关联的模板时
    // 一切也能顺利运作
   typedef __true_type     this_dummy_member_must_be_first;

   // 以下条款应当被遵守, 因为编译器有可能自动生成类型的特化版本
   //   - 你可以重新安排的成员次序
   //   - 你可以移除你想移除的成员
   //   - 一定不可以修改下列成员名称, 却没有修改编译器中的相应名称
   //   - 新加入的成员被当作一般成员, 除非编译器提供特殊支持

   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;
};

_true_type和_false_type是结构体，用于标记真假，也是为了用于参数推导才使用类型的。STL对每个内置类型均进行了特化，且将所有型别标记为_true_type

指针不是类型，但是有此五种特性，进行偏特化

template <class T>
struct __type_traits<T*>
{
   typedef __true_type    has_trivial_default_constructor;
   typedef __true_type    has_trivial_copy_constructor;
   typedef __true_type    has_trivial_assignment_operator;
   typedef __true_type    has_trivial_destructor;
   typedef __true_type    is_POD_type;
};

对于某些类型的指针可能有不同的型别，可以进行特化。

每种新定义的类型，都需要进行特化标识自己的特性，否则按照默认的全部为_false_type。