STL中实现 iterator trail 的编程技巧

发布日期:2019-04-19

STL中实现 iterator trail 的编程技巧

《泛型编程和 STL》笔记及思考。

这篇文章主要记录在 STL 中迭代器设计过程中出现的编程技巧,围绕的 STL 主题为 (迭代器特征) Iterator traits 和 相关类型(Associated Types)。

首先介绍 Associated Types

Associated Types

我们知道,Iterator 是一种泛化的指针,我们有时会这样理解它:

指针(广义的)指向某个序列的一个 item,而每个 item 的类型就是我们想要的 Associated Types。

对于 C 中的指针来说,*ptr 就是他的相关类型。

对于我们之前定义的外覆类(C++ 泛型算法 find 那篇)来说,*int_node (即 Node)是他的相关类型。

现在我们有个问题,我们如何使用这个类型?假设有一个 Iterator type P,P 的相关类型为 value_type。我们想要在一些算法中使用这个类型声明一些临时变量(这很常见,比如在计算数值的算法内),然而 ”P 的 value_type “ 并没有告诉我们 C++ 如何表达这样的概念。比如在之前的外覆类中,我们可以通过外覆类的接口获得他的相关类型的具体引用,但是却没办法使用这个类型信息用于外覆类之外的变量的声明。

技巧一 :使用 C++ 的类型推断机制

假设有个泛型函数 f() ,需要一个类型为 P 的参数,而且还需要声明一个类型为 P 的 value_type 的临时变量。我们可以令 f() 成为一个单纯的传递函数,并将所有工作委托给内部函数 f_impl():

template <class Pclass T>void f_impl(P iterT t) { T tmp ...}template <class T> inline void f(T iter) { f_impl(iter*iter)}

于是,我们可以在函数 f_impl 之中,声明一个类型为 T 也即 P 的 value_type 类型的临时变量。template 参数的 “type inference” 机制是自动自发的,所以在 f_impl 之中,template 的参数 T 和 *iter 是同义的。

这个技巧的确能够解决我们之前提出的问题,但是,他却解决不了另一个问题,这个方案无法用来声明函数的返回类型。通过类型推导得到的 Associated Type 信息是在 f() 方法内获得的,我们无法将这个 Associated Type 用于函数的返回值。所以我们来看一下技巧二。

技巧二 : 嵌套声明

这种方法的核心思想是在每个迭代器类中将具体的 Associated Type 统一定义为一个新的名为value_type(又一次的隐藏了差异性)的类型。

用上一篇定义的外覆类 int_node 为例,为它增加一个新的类型 value_type:

template <class Node> //Node 是类型参数,可能用 T 更好理解struct node_wrap { typedef Node value_type Node *ptr ...}

这样的话,只要我们知道这个迭代器的类名,便可以访问他的 Associated Type 。并且,在每个定义了 value_type 的迭代器都可以换通过相同的方法访问。

对于声明一个 node_wrap 的 Associated Type 类型的变量,我们可以这样:

typename node_wrap :: value_type tmp

以这种方式来对变量命名。(typename 是为了向编译器指出这是类型名而不是成员方法名或其他)

声明函数的返回类型:

typename node_wrap:: value_type f(...) { ...}

这样做相当于我们再次将差异性隐藏,向外提供了一个统一的接口。

看起来这种方式解决了我们的问题。但是我们忽略了一些情况。上述成立的前提是迭代器是一个类,所以我们可以在它们内部增加一个新的类型,并从外部访问它。但是 C 中的指针也是一个迭代器,而且我们一直是在以 C 指针的行为来指导迭代器的行为。显然我们无法为 C 指针提供这种操作。为了解决这个问题,为指针也提供合适的操作,我们再次提出了新的方案。

技巧三 : 增加中间层和模板偏特化

我们可以增加一个中间层来解决这个问题。具体的做法是定义一个辅助用的 class,iterator_traits:

template <class Iterator>struct iterator_traits { typedef typename Iterator::value_type value_type}

这么一来我们就可以以这样的写法来取用 Iterator 的 value_type(以声明变量为例):

typename iterator_traits<node_wrap>::value_type tmp

这看起来没有任何改进,因为 Iterator_traits 仍然假设它的 template 参数 Iterator 有一个嵌套类型。(指针仍然没有)

不过,现在我们可以使用另一种技术来解决这个问题了。我们将利用 “对某种 template 参数提供另一种定义” 的方法,将 Iterator_traits class 特化。

C++ 中允许 template 的全特化(亦即为某型别如 int* 提供另一种定义)和偏特化(亦即提供另一个定义,其自身仍为模板化的。具体可参考 《C++ primer》)。在这个例子中,我们需要针对每一种指针类型做出另一种定义,因此我们需要偏特化:

template <class T>struct iterator_traits<T*> { typedef T value_type }

现在,当我们面对普通的指针时,也可以像对待迭代器一样,使用相同的方法来取用它的 Associated Type。

主要的问题已经解决了,但是还有一个细节问题需要提出来讨论一下:constant iterator 的 value_type 是什么?考虑如下例子:

iterator_traits<const int*>::value_type

根据我们之前定义的 Iterator_traits value_type 将会是 const int 而非 int。我们已经针对 T* 的参数将 iterator_traits 特化,但当 T 是 const int 时,const int * 会符合 T* ,这不是我们期待的结果。

我们只需要另外设计一个版本的偏特化,就能轻而易举的解决这个问题:

template<class T>struct iterator_traits<cosnt T*> { typedef T value_type}

现在我们有了三种不同的 itertaor_traits 版本。一个是针对类型为 T 的参数,一个是 T * 另一个是 const T * 的参数。当你写下 iterator_traits<const int*> 时,原则上他符合任何一个版本,不会有歧义的情况发生。因为 C++ 编译器总能选出最能明确匹配的版本。

直到到现在,我们有了某种机制,让我们得以使用某个 iterator 的 value_type 来撰写算法。

举个例子,以下的泛型函数用来计算 nonempty range 内的数值总和:

template <class InputIterator>typename iterator_traits<InputIterator>::value_typesum_nonempty(InputIterator firstInputIterator last) { typename iterator_traits<InputIterator>::value_type result = *first for (first != last ++first) result += *first return result}

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