侯捷 C++ STL标准库和泛型编程 —— 4 分配器 + 5 迭代器

4 分配器

4.1 测试

分配器都是与容器共同使用的，一般分配器参数用默认值即可

list<string, allocator<string>> c1;

不建议直接用分配器分配空间，因为其需要在释放内存时也要指明大小

int* p; 	
p = allocator<int>().allocate(512, (int*)0); // 临时变量调用函数
allocator<int>().deallocate(p,512); // 释放时需要指明之前申请的大小

4.2 源码解析

VC6下：allocator 中有 allocate，deallocate 其分别用函数 ::operator new 和 ::operator delete 来调用 c 中的 malloc 和 free

pointer allocate(size_type _N, const void*){...} // 后面一个参数只是用来指明类型的
void deallocate(void _FARQ *_P, size_type){...}

这里经过包装还是调用的 malloc 和 free，其执行效率变慢；且如果申请的空间比较小，会有较大比例的额外开销（cookie，调试模式所需空间等等）

GCC2.9 下：其容器都是调用的名叫 alloc 的分配器

其从0到15有一共16个链表，分别代表8字节到16*8字节，例如 #0 的位置用 malloc 要一大块内存，然后做切割，切成一块一块的8字节空间不带cookie，用单向链表穿起来；当要申请6字节的大小的空间时，其就会到 #0 中占用一块 —— 节省空间

在 GCC4.9 中各个容器又用回了 allocator，而上面的 alloc 变成了__poll_alloc

5 迭代器

5.1 迭代器的设计准则

Iterator 必须提供5种 associated type（说明自己的特性的）来供算法来识别，以便算法正确地使用 Iterator

template <class T, class Ref, class Ptr>
struct __list_iterator
{
    ...
	typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; // (1)迭代器类别：双向迭代器	
	typedef T value_type; // (2)迭代器所指对象的类型
	typedef Ptr pointer; // (3)迭代器所指对象的指针类型
	typedef Ref reference; // (4)迭代器所指对象的引用类型
	typedef ptrdiff_t difference_type; // (5)两个迭代器之间的距离类型
    // iter1-iter2 时，要保证数据类型以存储任何两个迭代器对象间的距离
    ...

}
// 迭代器回答

// | Λ
// | |
// | | 
// V |

// 算法直接提问
template <typename I>
inline void algorithm(I first, I last)
{
    ...
    I::iterator_category
    I::pointer
    I::reference
    I::value_type
    I::difference_type
    ...
}

但当 Iterator 并不是 class 时，例如指针本身，就不能 typedef 了 —— 这时就要设计一个 Iterator Traits

Traits：用于定义类型特征的信息，从而在编译时根据类型的不同进行不同的操作或处理 —— 类似一个萃取机（针对不同类型做不同操作：偏特化）

// I是class iterator进
template <class I>
struct Iterator_traits
{
	typedef typename I::iterator_category iterator_category;
	typedef typename I::value_type value_type;
	typedef typename I::difference_type difference_type;
	typedef typename I::pointer pointer;
	typedef typename I::reference reference;
    // typename用于告诉编译器，接下来的标识符是一个类型名，而不是一个变量名或其他名称
    // I::iterator_category 是一个类型名
    // iterator_category是这个迭代器类型内部的一个嵌套类型（typedef ...）
};

// I是指向T的指针进
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;
};

// I是指向T的常量指针进
template <class T>
struct Iterator_traits<const T*>
{
	typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
	typedef T value_type; // 注意是T而不是const T
    // 按理说是const T，但声明一个不能被赋值的变量无用
    // 所以value_type不应加上const
	typedef ptrdiff_t difference_type;
	typedef const T* pointer;
	typedef const T& reference;
};

除了 Iterator Traits，还有很多其他 Traits

5.2 迭代器的分类

迭代器的分类对算法的效率有很大的影响

1. 输入迭代器 input_iterator_tag：istream迭代器
2. 输出迭代器 output_iterator_tag：ostream迭代器
3. 单向迭代器 forward_iterator_tag：forward_list，hash类容器
4. 双向迭代器 bidirectional_iterator_tag： list、红黑树容器
5. 随机存取迭代器 random_access_iterator_tag：array、vector、deque

用有继承关系的class实现：

1. 方便迭代器类型作为参数进行传递，如果是整数的是不方便的
2. 有些算法的实现没有实现所有类型的迭代器类别，就要用继承关系去找父迭代器类别

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 {};

算法 distance 将会按照迭代器的类别进行不同的操作以提升效率

• 如果迭代器可以跳，直接 last - first 即可
• 如果迭代器不能跳，就只能一步一步走来计数

两者的效率差别很大

但如果迭代器类别是 farward_iterator_tag 或者 bidirectional_iterator_tag，该算法没有针对这种类型迭代器实现，就可以用继承关系来使用父类的实现（继承关系——“is a” 子类是一种父类，当然可以用父类的实现）

算法 copy 将经过很多判断筛选来找到最高效率的实现

其中用到了 Iterator Traits 和 Type Traits 来进行筛选

has trivial op=() 是指的有不重要的拷贝赋值函数（例如复数用的自带的拷贝赋值函数）

注意：由于 output_iterator_tag（例如 ostream_iterator）是 write-only，无法用 * 来读取内容，所以在设计时就需要再写个专属版本

在源码中，算法都是模板函数，接受所有的 iterator，但一些算法只能用特定的 iterator，所以其会在模板参数的名称上进行暗示：