C++箴言：為類(lèi)型信息使用特征類(lèi)

2019-11-17 05:12:27

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供稿：網(wǎng)友

　　STL 主要是由 containers（容器），iterators（迭代器）和 algorithms（算法）的 templates（模板）構(gòu)成的，但是也有幾個(gè) utility templates（實(shí)用模板）。其中一個(gè)被稱(chēng)為 advance。advance 將一個(gè)指定的 iterator（迭代器）移動(dòng)一個(gè)指定的距離：

template// move iter d units
void advance(IterT& iter, DistT d); // forward; if d < 0,
// move iter backward

　　在概念上，advance 僅僅是在做 iter += d，但是 advance 不能這樣實(shí)現(xiàn)，因?yàn)橹挥?random access iterators（隨機(jī)訪問(wèn)迭代器）支持 += Operation。不夠強(qiáng)力的 iterator（迭代器）類(lèi)型不得不通過(guò)反復(fù)利用 ++ 或 -- d 次來(lái)實(shí)現(xiàn) advance。

　　你不記得 STL iterator categories（迭代器種類(lèi)）了嗎？沒(méi)問(wèn)題，我們這就做一個(gè)簡(jiǎn)單回顧。對(duì)應(yīng)于它們所支持的操作，共有五種 iterators（迭代器）。input iterators（輸入迭代器）只能向前移動(dòng)，每次只能移動(dòng)一步，只能讀它們指向的東西，而且只能讀一次。它們以一個(gè)輸入文件中的 read pointer（讀指針）為原型；C++ 庫(kù)中的 istream_iterators 就是這一種類(lèi)的典型代表。output iterators（輸出迭代器）與此類(lèi)似，只不過(guò)用于輸出：它們只能向前移動(dòng)，每次只能移動(dòng)一步，只能寫(xiě)它們指向的東西，而且只能寫(xiě)一次。它們以一個(gè)輸出文件中的 write pointer（寫(xiě)指針）為原型；ostream_iterators 是這一種類(lèi)的典型代表。這是兩個(gè)最不強(qiáng)力的 iterator categories（迭代器種類(lèi)）。因?yàn)?input（輸入）和 output iterators（輸出迭代器）只能向前移動(dòng)而且只能讀或者寫(xiě)它們指向的地方最多一次，它們只適合 one-pass 運(yùn)算。

　　一個(gè)更強(qiáng)力一些的 iterator category（迭代器種類(lèi)）是 forward iterators（前向迭代器）。這種 iterators（迭代器）能做 input（輸入）和 output iterators（輸出迭代器）可以做到的每一件事情，再加上它們可以讀或者寫(xiě)它們指向的東西一次以上。這就使得它們可用于 multi-pass 運(yùn)算。STL 沒(méi)有提供 singly linked list（單向鏈表），但某些庫(kù)提供了（通常被稱(chēng)為 slist），而這種 containers（容器）的 iterators（迭代器）就是 forward iterators（前向迭代器）。TR1 的 hashed containers（哈希容器）的 iterators（迭代器）也可以屬于 forward category（前向迭代器）。

　　bidirectional iterators（雙向迭代器）為 forward iterators（前向迭代器）加上了和向前一樣的向后移動(dòng)的能力。STL 的 list 的 iterators（迭代器）屬于這一種類(lèi)，set，multiset，map 和 multimap 的 iterators（迭代器）也一樣。

　　最強(qiáng)力的 iterator category（迭代器種類(lèi)）是 random access iterators（隨機(jī)訪問(wèn)迭代器）。這種 iterators（迭代器）為 bidirectional iterators（雙向迭代器）加上了 "iterator arithmetic"（“迭代器運(yùn)算”）的能力，也就是說(shuō)，在常量時(shí)間里向前或者向后跳轉(zhuǎn)一個(gè)任意的距離。這樣的運(yùn)算類(lèi)似于指針運(yùn)算，這并不會(huì)讓人感到驚奇，因?yàn)?random access iterators（隨機(jī)訪問(wèn)迭代器）就是以 built-in pointers（內(nèi)建指針）為原型的，而 built-in pointers（內(nèi)建指針）可以和 random access iterators（隨機(jī)訪問(wèn)迭代器）有同樣的行為。vector，deque 和 string 的 iterators（迭代器）是 random access iterators（隨機(jī)訪問(wèn)迭代器）。

　　對(duì)于五種 iterator categories（迭代器種類(lèi)）中的每一種，C++ 都有一個(gè)用于識(shí)別它的 "tag strUCt"（“標(biāo)簽結(jié)構(gòu)體”）在標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中：

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 {};

　　這些結(jié)構(gòu)體之間的 inheritance relationships（繼續(xù)關(guān)系）是正當(dāng)?shù)?is-a 關(guān)系：所有的 forward iterators（前向迭代器）也是 input iterators（輸入迭代器），等等，這都是成立的。我們不久就會(huì)看到這個(gè) inheritance（繼續(xù)）的功用。

　　但是返回到 advance。對(duì)于不同的 iterator（迭代器）能力，實(shí)現(xiàn) advance 的一個(gè)方法是使用反復(fù)增加或減少 iterator（迭代器）的循環(huán)的 lowest-common-denominator（最小共通特性）策略。然而，這個(gè)方法要花費(fèi) linear time（線性時(shí)間）。random access iterators（隨機(jī)訪問(wèn)迭代器）支持 constant-time iterator arithmetic（常量時(shí)間迭代器運(yùn)算），當(dāng)它出現(xiàn)的時(shí)候我們最好能利用這種能力。

　　我們真正想做的就是大致像這樣實(shí)現(xiàn) advance：

template
void advance(IterT& iter, DistT d)
{
　if (iter is a random access iterator) {
　　iter += d; // use iterator arithmetic
　} // for random access iters
　else {
　　if (d >= 0) { while (d--) ++iter; } // use iterative calls to
　　else { while (d++) --iter; } // ++ or -- for other
　} // iterator categories
}

　　這就需要能夠確定 iter 是否是一個(gè) random access iterators（隨機(jī)訪問(wèn)迭代器），依次下來(lái)，就需要知道它的類(lèi)型，IterT，是否是一個(gè) random access iterators（隨機(jī)訪問(wèn)迭代器）類(lèi)型。換句話說(shuō)，我們需要得到關(guān)于一個(gè)類(lèi)型的某些信息。這就是 traits 讓你做到的：它們答應(yīng)你在編譯過(guò)程中得到關(guān)于一個(gè)類(lèi)型的信息。 traits 不是 C++ 中的一個(gè)要害字或預(yù)定義結(jié)構(gòu)；它們是一項(xiàng)技術(shù)和 C++ 程序員遵守的慣例。建立這項(xiàng)技術(shù)的要求之一是它在 built-in types（內(nèi)建類(lèi)型）上必須和在 user-defined types（用戶定義類(lèi)型）上一樣有效。例如，假如 advance 被一個(gè)指針（譬如一個(gè) const char*）和一個(gè) int 調(diào)用，advance 必須有效，但是這就意味著 traits 技術(shù)必須適用于像指針這樣的 built-in types（內(nèi)建類(lèi)型）。

　　traits 對(duì) built-in types（內(nèi)建類(lèi)型）必須有效的事實(shí)意味著將信息嵌入到類(lèi)型內(nèi)部是不可以的，因?yàn)闆](méi)有辦法將信息嵌入指針內(nèi)部。那么，一個(gè)類(lèi)型的 traits 信息，必須在類(lèi)型外部。標(biāo)準(zhǔn)的方法是將它放到 template（模板）以及這個(gè) template（模板）的一個(gè)或更多的 specializations（特化）中。對(duì)于 iterators（迭代器），標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中 template（模板）被稱(chēng)為 iterator_traits：

template// template for information about
struct iterator_traits; // iterator types

　　就像你能看到的，iterator_traits 是一個(gè) struct（結(jié)構(gòu)體）。根據(jù)慣例，traits 總是被實(shí)現(xiàn)為 struct（結(jié)構(gòu)體）。另一個(gè)慣例就是用來(lái)實(shí)現(xiàn) traits 的 structs（結(jié)構(gòu)體）以 traits classes（這可不是我捏造的）聞名。

　　iterator_traits 的工作方法是對(duì)于每一個(gè) IterT 類(lèi)型，在 struct（結(jié)構(gòu)體）iterator_traits中聲明一個(gè)名為 iterator_category 的 typedef。這個(gè) typedef 被看成是 IterT 的 iterator category（迭代器種類(lèi)）。

　　iterator_traits 通過(guò)兩部分實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。首先，它強(qiáng)制要求任何 user-defined iterator（用戶定義迭代器）類(lèi)型必須包含一個(gè)名為 iterator_category 的嵌套 typedef 用以識(shí)別適合的 tag struct（標(biāo)簽結(jié)構(gòu)體）。例如，deque 的 iterators（迭代器）是隨機(jī)訪問(wèn)的，所以一個(gè) deque iterators 的 class 看起來(lái)就像這樣：

template < ... >// template params elided
class deque {
　public:
　　class iterator {
　　　public:
　　　　typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
　　　　...
　　};
　...
};

　　然而，list 的 iterators（迭代器）是雙向的，所以它們是這樣做的：

template < ... >
class list {
　public:
　class iterator {
　　public:
　　typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
　　...
　};
　...
};

　　iterator_traits 僅僅是簡(jiǎn)單地模擬了 iterator class 的嵌套 typedef：

// the iterator_category for type IterT is whatever IterT says it is;
// see Item 42 for info on the use of "typedef typename"
template
struct iterator_traits {
　typedef typename IterT::iterator_category iterator_category;
　...
};

　　這樣對(duì)于 user-defined types（用戶定義類(lèi)型）能很好地運(yùn)轉(zhuǎn)。但是對(duì)于本身是 pointers（指針）的 iterators（迭代器）根本不起作用，因?yàn)椴淮嬖陬?lèi)似于帶有一個(gè)嵌套 typedef 的指針的東西。iterator_traits 實(shí)現(xiàn)的第二個(gè)部分處理本身是 pointers（指針）的 iterators（迭代器）。
　　為了支持這樣的 iterators（迭代器），iterator_traits 為 pointer types（指針類(lèi)型）提供了一個(gè) partial template specialization（部分模板特化）。pointers 的行為類(lèi)似 random access iterators（隨機(jī)訪問(wèn)迭代器），所以這就是 iterator_traits 為它們指定的種類(lèi)：

template// partial template specialization
struct iterator_traits// for built-in pointer types
{
　typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
　...
};

　　到此為止，你了解了如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)一個(gè) traits class：

　　·識(shí)別你想讓它可用的關(guān)于類(lèi)型的一些信息（例如，對(duì)于 iterators（迭代器）來(lái)說(shuō)，就是它們的 iterator category（迭代器種類(lèi)））。

　　·選擇一個(gè)名字標(biāo)識(shí)這個(gè)信息（例如，iterator_category）。

　　·提供一個(gè) template（模板）和一系列 specializations（特化）（例如，iterator_traits），它們包含你要支持的類(lèi)型的信息。

　　給出了 iterator_traits ——實(shí)際上是 std::iterator_traits，因?yàn)樗?C++ 標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)的一部分——我們就可以改善我們的 advance 偽代碼：

template
void advance(IterT& iter, DistT d)
{
　if (typeid(typename std::iterator_traits::iterator_category) ==
　　typeid(std::random_access_iterator_tag))
　...
}

　　這個(gè)雖然看起來(lái)有點(diǎn)希望，但它不是我們想要的。在某種狀態(tài)下，它會(huì)導(dǎo)致編譯問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題我們以后再來(lái)研究它，現(xiàn)在，有一個(gè)更基礎(chǔ)的問(wèn)題要討論。IterT 的類(lèi)型在編譯期間是已知的，所以 iterator_traits::iterator_category 可以在編譯期間被確定。但是 if 語(yǔ)句還是要到運(yùn)行時(shí)才能被求值。為什么要到運(yùn)行時(shí)才做我們?cè)诰幾g期間就能做的事情呢？它浪費(fèi)了時(shí)間（嚴(yán)格意義上的），而且使我們的執(zhí)行碼膨脹。

　　我們真正想要的是一個(gè)針對(duì)在編譯期間被鑒別的類(lèi)型的 conditional construct（條件結(jié)構(gòu)）（也就是說(shuō)，一個(gè) if...else 語(yǔ)句）。碰巧的是，C++ 已經(jīng)有了一個(gè)得到這種行為的方法。它被稱(chēng)為 overloading（重載）。

　　當(dāng)你重載某個(gè)函數(shù) f 時(shí)，你為不同的 overloads（重載）指定不同的 parameter types（形參類(lèi)型）。當(dāng)你調(diào)用 f 時(shí)，編譯器會(huì)根據(jù)被傳遞的 arguments（實(shí)參）挑出最佳的 overload（重載）。基本上，編譯器會(huì)說(shuō)：“假如這個(gè) overload（重載）與被傳遞的東西是最佳匹配的話，就調(diào)用這個(gè) f；假如另一個(gè) overload（重載）是最佳匹配，就調(diào)用它；假如第三個(gè) overload（重載）是最佳的，就調(diào)用它”等等。看到了嗎？一個(gè)針對(duì)類(lèi)型的 compile-time conditional construct（編譯時(shí)條件結(jié)構(gòu)）。為了讓 advance 擁有我們想要的行為方式，我們必須要做的全部就是創(chuàng)建一個(gè)包含 advance 的“內(nèi)容”的重載函數(shù)的多個(gè)版本（此處原文有誤，根據(jù)作者網(wǎng)站勘誤修改——譯者注），聲明它們?nèi)〉貌煌?iterator_category object 的類(lèi)型。我為這些函數(shù)使用名字 doAdvance：

template// use this impl for
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, // random access
std::random_access_iterator_tag) // iterators
{
　iter += d;
}

template// use this impl for
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, // bidirectional
std::bidirectional_iterator_tag) // iterators
{
　if (d >= 0) { while (d--) ++iter; }
　else { while (d++) --iter; }
}

template// use this impl for
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, // input iterators
std::input_iterator_tag)
{
　if (d < 0 ) {
　　throw std::out_of_range("Negative distance"); // see below
　}
　while (d--) ++iter;
}

　　因?yàn)?forward_iterator_tag 從 input_iterator_tag 繼續(xù)而來(lái)，針對(duì) input_iterator_tag 的 doAdvance 版本也將處理 forward iterators（前向迭代器）。這就是在不同的 iterator_tag structs 之間繼續(xù)的動(dòng)機(jī)。
（實(shí)際上，這是所有 public inheritance（公有繼續(xù)）的動(dòng)機(jī)的一部分：使針對(duì) base class types（基類(lèi)類(lèi)型）寫(xiě)的代碼也能對(duì) derived class types（派生類(lèi)類(lèi)型）起作用。）

　　advance 的規(guī)范對(duì)于 random access（隨機(jī)訪問(wèn)）和 bidirectional iterators（雙向迭代器）答應(yīng)正的和負(fù)的移動(dòng)距離，但是假如你試圖移動(dòng)一個(gè) forward（前向）或 input iterator（輸入迭代器）一個(gè)負(fù)的距離，則行為是未定義的。在我檢查過(guò)的實(shí)現(xiàn)中簡(jiǎn)單地假設(shè) d 是非負(fù)的，因而假如一個(gè)負(fù)的距離被傳入，則進(jìn)入一個(gè)直到計(jì)數(shù)降為零的非常長(zhǎng)的循環(huán)。在上面的代碼中，我展示了改為一個(gè)異常被拋出。這兩種實(shí)現(xiàn)都是正確的。未定義行為的詛咒是：你無(wú)法預(yù)知會(huì)發(fā)生什么。

　　給出針對(duì) doAdvance 的各種重載，advance 需要做的全部就是調(diào)用它們，傳遞一個(gè)適當(dāng)?shù)?iterator category（迭代器種類(lèi)）類(lèi)型的額外 object 以便編譯器利用 overloading resolution（重載解析）來(lái)調(diào)用正確的實(shí)現(xiàn)：

template
void advance(IterT& iter, DistT d)
{
　doAdvance( // call the version
　　iter, d, // of doAdvance
　　typename // that is
　　std::iterator_traits::iterator_category() // apPRopriate for
　); // iter's iterator
} // category

　　我們現(xiàn)在能夠概述如何使用一個(gè) traits class 了：

　　·創(chuàng)建一套重載的 "worker" functions（函數(shù)）或者 function templates（函數(shù)模板）（例如，doAdvance），它們?cè)谝粋€(gè) traits parameter（形參）上不同。與傳遞的 traits 信息一致地實(shí)現(xiàn)每一個(gè)函數(shù)。

　　·創(chuàng)建一個(gè) "master" function（函數(shù)）或者 function templates（函數(shù)模板）（例如，advance）調(diào)用這些 workers，傳遞通過(guò)一個(gè) traits class 提供的信息。

　　traits 廣泛地用于標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中。有 iterator_traits，當(dāng)然，再加上 iterator_category，提供了關(guān)于 iterators（迭代器）的四塊其它信息（其中最常用的是 value_type ）。還有 char_traits 持有關(guān)于 character types（字符類(lèi)型）的信息，還有 numeric_limits 提供關(guān)于 numeric types（數(shù)值類(lèi)型）的信息，例如，可表示值的最小值和最大值，等等。（名字 numeric_limits 令人有些希奇，因?yàn)殛P(guān)于 traits classes 更常用的慣例是以 "traits" 結(jié)束，但是它就是被叫做 numeric_limits，所以 numeric_limits 就是我們用的名字。）

　　TR1引入了一大批新的 traits classes 提供關(guān)于類(lèi)型的信息，包括 is_fundamental（T 是否是一個(gè) built-in type（內(nèi)建類(lèi)型）），is_array（T 是否是一個(gè) array type（數(shù)組類(lèi)型）），以及 is_base_of（T1 是否和 T2 相同或者是 T2 的一個(gè) base class（基類(lèi)））。合計(jì)起來(lái)，TR1 在標(biāo)準(zhǔn) C++ 中加入了超過(guò) 50 個(gè) traits classes。

　　Things to Remember

　　·traits classes 使關(guān)于類(lèi)型的信息在編譯期間可用。它們使用 templates（模板）和 template specializations（模板特化）實(shí)現(xiàn)。

　　·結(jié)合 overloading（重載），traits classes 使得執(zhí)行編譯期類(lèi)型 if...else 檢驗(yàn)成為可能。

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