C++箴言：为类型信息使用特征类

2019-11-17 05:12:27

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供稿：网友

　　STL 主要是由 containers（容器），iterators（迭代器）和 algorithms（算法）的 templates（模板）构成的，但是也有几个 utility templates（实用模板）。其中一个被称为 advance。advance 将一个指定的 iterator（迭代器）移动一个指定的距离：

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

　　在概念上，advance 仅仅是在做 iter += d，但是 advance 不能这样实现，因为只有 random access iterators（随机访问迭代器）支持 += Operation。不够强力的 iterator（迭代器）类型不得不通过反复利用 ++ 或 -- d 次来实现 advance。

　　你不记得 STL iterator categories（迭代器种类）了吗？没问题，我们这就做一个简单回顾。对应于它们所支持的操作，共有五种 iterators（迭代器）。input iterators（输入迭代器）只能向前移动，每次只能移动一步，只能读它们指向的东西，而且只能读一次。它们以一个输入文件中的 read pointer（读指针）为原型；C++ 库中的 istream_iterators 就是这一种类的典型代表。output iterators（输出迭代器）与此类似，只不过用于输出：它们只能向前移动，每次只能移动一步，只能写它们指向的东西，而且只能写一次。它们以一个输出文件中的 write pointer（写指针）为原型；ostream_iterators 是这一种类的典型代表。这是两个最不强力的 iterator categories（迭代器种类）。因为 input（输入）和 output iterators（输出迭代器）只能向前移动而且只能读或者写它们指向的地方最多一次，它们只适合 one-pass 运算。

　　一个更强力一些的 iterator category（迭代器种类）是 forward iterators（前向迭代器）。这种 iterators（迭代器）能做 input（输入）和 output iterators（输出迭代器）可以做到的每一件事情，再加上它们可以读或者写它们指向的东西一次以上。这就使得它们可用于 multi-pass 运算。STL 没有提供 singly linked list（单向链表），但某些库提供了（通常被称为 slist），而这种 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）也可以属于 forward category（前向迭代器）。

　　bidirectional iterators（双向迭代器）为 forward iterators（前向迭代器）加上了和向前一样的向后移动的能力。STL 的 list 的 iterators（迭代器）属于这一种类，set，multiset，map 和 multimap 的 iterators（迭代器）也一样。

　　最强力的 iterator category（迭代器种类）是 random access iterators（随机访问迭代器）。这种 iterators（迭代器）为 bidirectional iterators（双向迭代器）加上了 "iterator arithmetic"（“迭代器运算”）的能力，也就是说，在常量时间里向前或者向后跳转一个任意的距离。这样的运算类似于指针运算，这并不会让人感到惊奇，因为 random access iterators（随机访问迭代器）就是以 built-in pointers（内建指针）为原型的，而 built-in pointers（内建指针）可以和 random access iterators（随机访问迭代器）有同样的行为。vector，deque 和 string 的 iterators（迭代器）是 random access iterators（随机访问迭代器）。

　　对于五种 iterator categories（迭代器种类）中的每一种，C++ 都有一个用于识别它的 "tag strUCt"（“标签结构体”）在标准库中：

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 {};

　　这些结构体之间的 inheritance relationships（继续关系）是正当的 is-a 关系：所有的 forward iterators（前向迭代器）也是 input iterators（输入迭代器），等等，这都是成立的。我们不久就会看到这个 inheritance（继续）的功用。

　　但是返回到 advance。对于不同的 iterator（迭代器）能力，实现 advance 的一个方法是使用反复增加或减少 iterator（迭代器）的循环的 lowest-common-denominator（最小共通特性）策略。然而，这个方法要花费 linear time（线性时间）。random access iterators（随机访问迭代器）支持 constant-time iterator arithmetic（常量时间迭代器运算），当它出现的时候我们最好能利用这种能力。

　　我们真正想做的就是大致像这样实现 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
}

　　这就需要能够确定 iter 是否是一个 random access iterators（随机访问迭代器），依次下来，就需要知道它的类型，IterT，是否是一个 random access iterators（随机访问迭代器）类型。换句话说，我们需要得到关于一个类型的某些信息。这就是 traits 让你做到的：它们答应你在编译过程中得到关于一个类型的信息。 traits 不是 C++ 中的一个要害字或预定义结构；它们是一项技术和 C++ 程序员遵守的惯例。建立这项技术的要求之一是它在 built-in types（内建类型）上必须和在 user-defined types（用户定义类型）上一样有效。例如，假如 advance 被一个指针（譬如一个 const char*）和一个 int 调用，advance 必须有效，但是这就意味着 traits 技术必须适用于像指针这样的 built-in types（内建类型）。

　　traits 对 built-in types（内建类型）必须有效的事实意味着将信息嵌入到类型内部是不可以的，因为没有办法将信息嵌入指针内部。那么，一个类型的 traits 信息，必须在类型外部。标准的方法是将它放到 template（模板）以及这个 template（模板）的一个或更多的 specializations（特化）中。对于 iterators（迭代器），标准库中 template（模板）被称为 iterator_traits：

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

　　就像你能看到的，iterator_traits 是一个 struct（结构体）。根据惯例，traits 总是被实现为 struct（结构体）。另一个惯例就是用来实现 traits 的 structs（结构体）以 traits classes（这可不是我捏造的）闻名。

　　iterator_traits 的工作方法是对于每一个 IterT 类型，在 struct（结构体）iterator_traits中声明一个名为 iterator_category 的 typedef。这个 typedef 被看成是 IterT 的 iterator category（迭代器种类）。

　　iterator_traits 通过两部分实现这一点。首先，它强制要求任何 user-defined iterator（用户定义迭代器）类型必须包含一个名为 iterator_category 的嵌套 typedef 用以识别适合的 tag struct（标签结构体）。例如，deque 的 iterators（迭代器）是随机访问的，所以一个 deque iterators 的 class 看起来就像这样：

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）是双向的，所以它们是这样做的：

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

　　iterator_traits 仅仅是简单地模拟了 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;
　...
};

　　这样对于 user-defined types（用户定义类型）能很好地运转。但是对于本身是 pointers（指针）的 iterators（迭代器）根本不起作用，因为不存在类似于带有一个嵌套 typedef 的指针的东西。iterator_traits 实现的第二个部分处理本身是 pointers（指针）的 iterators（迭代器）。
　　为了支持这样的 iterators（迭代器），iterator_traits 为 pointer types（指针类型）提供了一个 partial template specialization（部分模板特化）。pointers 的行为类似 random access iterators（随机访问迭代器），所以这就是 iterator_traits 为它们指定的种类：

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

　　到此为止，你了解了如何设计和实现一个 traits class：

　　·识别你想让它可用的关于类型的一些信息（例如，对于 iterators（迭代器）来说，就是它们的 iterator category（迭代器种类））。

　　·选择一个名字标识这个信息（例如，iterator_category）。

　　·提供一个 template（模板）和一系列 specializations（特化）（例如，iterator_traits），它们包含你要支持的类型的信息。

　　给出了 iterator_traits ——实际上是 std::iterator_traits，因为它是 C++ 标准库的一部分——我们就可以改善我们的 advance 伪代码：

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

　　这个虽然看起来有点希望，但它不是我们想要的。在某种状态下，它会导致编译问题，这个问题我们以后再来研究它，现在，有一个更基础的问题要讨论。IterT 的类型在编译期间是已知的，所以 iterator_traits::iterator_category 可以在编译期间被确定。但是 if 语句还是要到运行时才能被求值。为什么要到运行时才做我们在编译期间就能做的事情呢？它浪费了时间（严格意义上的），而且使我们的执行码膨胀。

　　我们真正想要的是一个针对在编译期间被鉴别的类型的 conditional construct（条件结构）（也就是说，一个 if...else 语句）。碰巧的是，C++ 已经有了一个得到这种行为的方法。它被称为 overloading（重载）。

　　当你重载某个函数 f 时，你为不同的 overloads（重载）指定不同的 parameter types（形参类型）。当你调用 f 时，编译器会根据被传递的 arguments（实参）挑出最佳的 overload（重载）。基本上，编译器会说：“假如这个 overload（重载）与被传递的东西是最佳匹配的话，就调用这个 f；假如另一个 overload（重载）是最佳匹配，就调用它；假如第三个 overload（重载）是最佳的，就调用它”等等。看到了吗？一个针对类型的 compile-time conditional construct（编译时条件结构）。为了让 advance 拥有我们想要的行为方式，我们必须要做的全部就是创建一个包含 advance 的“内容”的重载函数的多个版本（此处原文有误，根据作者网站勘误修改——译者注），声明它们取得不同 iterator_category object 的类型。我为这些函数使用名字 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;
}

　　因为 forward_iterator_tag 从 input_iterator_tag 继续而来，针对 input_iterator_tag 的 doAdvance 版本也将处理 forward iterators（前向迭代器）。这就是在不同的 iterator_tag structs 之间继续的动机。
（实际上，这是所有 public inheritance（公有继续）的动机的一部分：使针对 base class types（基类类型）写的代码也能对 derived class types（派生类类型）起作用。）

　　advance 的规范对于 random access（随机访问）和 bidirectional iterators（双向迭代器）答应正的和负的移动距离，但是假如你试图移动一个 forward（前向）或 input iterator（输入迭代器）一个负的距离，则行为是未定义的。在我检查过的实现中简单地假设 d 是非负的，因而假如一个负的距离被传入，则进入一个直到计数降为零的非常长的循环。在上面的代码中，我展示了改为一个异常被抛出。这两种实现都是正确的。未定义行为的诅咒是：你无法预知会发生什么。

　　给出针对 doAdvance 的各种重载，advance 需要做的全部就是调用它们，传递一个适当的 iterator category（迭代器种类）类型的额外 object 以便编译器利用 overloading resolution（重载解析）来调用正确的实现：

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

　　我们现在能够概述如何使用一个 traits class 了：

　　·创建一套重载的 "worker" functions（函数）或者 function templates（函数模板）（例如，doAdvance），它们在一个 traits parameter（形参）上不同。与传递的 traits 信息一致地实现每一个函数。

　　·创建一个 "master" function（函数）或者 function templates（函数模板）（例如，advance）调用这些 workers，传递通过一个 traits class 提供的信息。

　　traits 广泛地用于标准库中。有 iterator_traits，当然，再加上 iterator_category，提供了关于 iterators（迭代器）的四块其它信息（其中最常用的是 value_type ）。还有 char_traits 持有关于 character types（字符类型）的信息，还有 numeric_limits 提供关于 numeric types（数值类型）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，因为关于 traits classes 更常用的惯例是以 "traits" 结束，但是它就是被叫做 numeric_limits，所以 numeric_limits 就是我们用的名字。）

　　TR1引入了一大批新的 traits classes 提供关于类型的信息，包括 is_fundamental（T 是否是一个 built-in type（内建类型）），is_array（T 是否是一个 array type（数组类型）），以及 is_base_of（T1 是否和 T2 相同或者是 T2 的一个 base class（基类））。合计起来，TR1 在标准 C++ 中加入了超过 50 个 traits classes。

　　Things to Remember

　　·traits classes 使关于类型的信息在编译期间可用。它们使用 templates（模板）和 template specializations（模板特化）实现。

　　·结合 overloading（重载），traits classes 使得执行编译期类型 if...else 检验成为可能。

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