第三章：迭代器（iterators）概念与traits编程技法（二）

• 第三章：迭代器（iterators）概念与traits编程技法（二）
• 迭代器相应型别分析
• std::iterator的保证
• SGI STL的私房菜：_typetraits

迭代器相应型别分析

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;
};

## 迭代器相应型别之一：value type

所谓 value type，是指迭代器所指对象的型别。任何一个打算与STL算法有完美搭配的class，都应该定义自己的value type内嵌型别，例如STL中的vector定义：

template <class T,class Alloc = alloc>
class vector 
{
public:
  // nested type 定义
  typedef T                 value_type;
  typedef value_type*       pointer;
  typedef const value_type* const_pointer;
  typedef value_type*       iterator;
  typedef const value_type* const_iterator;
  typedef value_type&       reference;
  typedef const value_type& const_reference;
  typedef size_t         s  ize_type;
  typedef ptrdiff_t         difference_type;
  ...
};

## 迭代器相应型别之二：difference type

difference type用来表示两个迭代器之间的距离，因此它也可以用来表示一个容器的最大容量，因为对于连续空间的容器而言，头尾之间的距离就是其最大容量。如果一个泛型算法提供计数功能，例如STL的count（），其传回值就必须使用迭代器的diference type：

template <class I,class T>
typename iterator_traits<I>::difference_type
count (I first, I last, const T& value){
    typename iterator_traits<I>::difference_type n=0;
    for(;first!=last;++first)
        if(*first == value)
            ++n;
    return;
}

## 迭代器相应型别之三：reference type

从“迭代器所指之物的内容是否允许改变”的角度观之，迭代器分为两种：不允许改变“所指对象之内容“”者，称为constant iterators，例如const int* pic；允许改变“所指对象之内容”者，称为 mutable iterators，例如int* pi。 当我们对一个 mutable iterators做解引用时，获得的应该是个左值（ lvalue） ,可以被赋值。在 C++中，函数如果要返回左值，都是以by reference的方式进行， 所以当p是个 mutable iterators时，如果其value type是T，那么p的型别不应该是T，应该是 T&。将此道理扩充，如果 p是一个 constant iterators，其value type是 T，那么p的型别不应该是const T，而应该是const T&。 *p的型别，即所谓的reference type。

## 迭代器相应型别之四：pointer type

pointers和 references 在 C++中有非常密切的关连。 如果“传回一个左值，令它代表p所指之物”是可能的，那么“传回一个左值，令它代表p所指之物的位址”也一定可以。 我们能够传回一个 pointer，指向迭代器所指之物。

这些相应型别已在先前的ListIter class中出现过：

Item& operator*() const { return *ptr; }
Item* operator->() const { return ptr; }

Item&便是 ListIter的reference type而 Item*便是其pointer type。

## 迭代器相应型别之五：iterator_category

最后一个（第五个）迭代器的相应型别会引发较大规模的写代码工程。在那之前，我必须先讨论迭代器的分类。

根据移动特性与施行操作，迭代器被分为五类：

• Input lterator：这种迭代器所指的对象，不允许外界改变。只读（read only）。
• Output terator：唯写（write only）。
• Forward lterator：允许“写入型”算法（例如replace（））在此种迭代器所形成的区间上进行读写操作。
• Bidirectiona lterator：可双向移动。某些算法需要逆向走访某个迭代器区间（例如逆向拷贝某范围内的元素），可以使用Biairectional lterators。
• Random Access lterator：前四种迭代器都只供应一部分指针算术能力（前三种支持 operator++，第四种再加上operator--），第五种则涵盖所有指针算术能力，包括p+n，p-n，p[n]，pl-p2，p1<p2。

迭代器的分类与从属关系如下图所示：

设计算法时，如果可能，我们尽量针对上图中某种迭代器提供一个明确定义，并针对更强化的某种迭代器提供另一定义，这样才能在不同情况下提供最大效率。假设有个算法接受 Forward Iterator，你以 Random Access Iterator 喂给它，也可用，但是可用不一定最佳。

下面以advanced()函数为例，介绍各类迭代器的性能差异：

template<class InputIterator,class Distance>
void advanced_II(InputIterator& i,Distance n)
{
	//单向 逐一前进
	while(n--) ++i;
}
template<class BidirectionalIterator, class Distance>
void advanced_BI(BidirectionalIterator& i,Distance n)
{
	//双向 逐一前进
	if(n>=0)
		while(n--) ++i;
	else
		while(n++) --i;
}

template<class RandomAccessIterator, class Distance>
void advanced_RAI(RandomAccessIterator& i,Distance n)
{
	//双向 跳跃前进
	i += n;	
}

当程序调用advance()时，应该调用哪一份函数定义呢？通常会采用以下处理方式：

template<class InputIterator,class Distance>
void advanced(InputIterator& i,Distance n)
{
    if(is_random_access_iterator(i))//有待设计
        advanced_RAI(i,n);
    else if(is_bidirectional_iterator(i))//有待设计
        advanced_BI(i,n);
    else
        advanced_II(i,n);
}

但是上述处理方式，**会在程序执行期间才能决定使用哪个处理函数，影响程序效率。最好能够在编译期就选择正确的版本，重载函数机制可以实现该目标。**我们可以给advanced( )添加第三个参数，即“迭代器类型”这个参数，然后利用traits萃取出迭代器的种类。

下面五个classes，即代表五种迭代器类型：

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 {};

然后利用第三参数重新定义上面的advance()函数。

template<class InputIterator,class Distance>
inline void __advanced(InputIterator& i,Distance n，input_iterator_tag)
{
	//单向 逐一前进
	while(n--) ++i;
}

//这是一个单纯的传递调用参数（triv forwarding function） 稍后讨论如何免除之
template<class ForwardIterator,class Distance>
inline void __advanced(ForwardIterator& i,Distance n，forward_iterator_tag)
{
	//单纯的进行传递调用
	advance(i,n,input_iterator_tag);
}
template<class BidirectionalIterator, class Distance>
inline void __advanced(BidirectionalIterator& i,Distance n,bidirectionalIterator_iterator_tag)
{
	//双向 逐一前进
	if(n>=0)
		while(n--) ++i;
	else
		while(n++) --i;
}

template<class RandomAccessIterator, class Distance>
inline void __advanced(RandomAccessIterator& i,Distance n,randomAccessIterator_iterator_tag)
{
	//双向 跳跃前进
	i += n;	
}

对外开放的上层接口，调用上述各个重载的__advance()。这一上层接口只需两个参数，当它准备将工作转给上述的__advance（）时，才自行加上第三参数：迭代器类型。因此，这个上层函数必须有能力从它所获得的迭代器中推导出其类型——这份工作自然交给traits机制：

template<class InputIterator, class Distance>
inline void advanced(InputIterator& i, Distance n)
{
	__advace(i,n,iterator_traits<InputIterator>::iterator_categoty());
}

任何一个迭代器，其类型永远应该落在“该迭代器所隶属之各种类型中”，最强化的那个。同时，STL算法命名规则**：以算法所能接受之最低阶迭代器类型，来为其迭代器型别参数命名**，因此advance（）中template参数名称为InputIterator。

消除“单纯传递调用的函数”：

由于各个迭代器之间存在着继承关系，“传递调用”的行为模式自然存在，即如果不重载Forward Iterators或BidirectionalIterator时，统统都会传递调用InputIterator版的函数。

std::iterator的保证

STL提供了一个iteratots class如下，如果每个新设计的迭代器都继承自它，则可以保证符合STL规范（即需要提供五个迭代器相应的类型）。

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;
};

SGI STL的私房菜：__type_traits

traits编程技法很棒，适度弥补了 C++ 语言本身的不足。 STL只对迭代器加以规范，制定出iterator_traits这样的东西。 SGI 把这种技法进一步扩大到迭代器以外的世界，于是有了所谓的__type_traits。

iterator_traits负 责萃取迭代器的特性， __type_traits 则负责萃取型别（type）的特性。 型别特性是指：这个型别是否具备non-trivial defalt ctor ？是否具备 non-trivial copy ctor？是否具备 non-trivial assignment operator？是否具备 non-trivial dtor？如果答案是否定的，我们在对这个型别进行建构、解构、拷贝、赋值等动作时，就可以采用最有效率的措施（例如根本不调用身居高位，不谋其职的那些constructor, destructor）， 而采用内存直接处理动作 如malloc()、 memcpy()等等，获得最高效率。这对于大规模而动作频繁的容器，有着显著的效率提升！

template <class type>
struct __type_traits { 
   typedef __true_type     this_dummy_member_must_be_first;

   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;
};

以下是<type_traits.h>对所有C++标量类型所定义的__type_traits特化版本：

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<char> {
   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;
};


__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<int> {
   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;
};


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;
};

前面第二章提到过的uninitialized_fill_n等函数就在实现中使用了__type_traits机制。

template <class ForwardIterator, class Size, class T, class T1>
inline ForwardIterator __uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,
                                              const T& x, T1*) {
  typedef typename __type_traits<T1>::is_POD_type is_POD;
  return __uninitialized_fill_n_aux(first, n, x, is_POD());
                                    
}
————————————————————————————————————————————————————————————————————————————————

// 如果不是POD型别 就会派送（dispatch）到这里
template <class ForwardIterator, class Size, class T>
ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIterator first, Size n,
                           const T& x, __false_type) {
  ForwardIterator cur = first;
  __STL_TRY {
    for ( ; n > 0; --n, ++cur)
      construct(&*cur, x);//需要逐个进行构造
    return cur;
  }
  __STL_UNWIND(destroy(first, cur));
}

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//如果是POD型别 就会派送到这里 下两行是源文件所附注解
//如果copy construction 等同于 assignment 而且有 trivival destructor
//以下就有效
template <class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIterator first, Size n,
                           const T& x, __true_type) {
  return fill_n(first, n, x);	//交由高阶函数执行 
}

//以下定义于<stl_algobase.h>中的fill_n()
template <class OutputIter, class _Size, class _Tp>
OutputIter fill_n(OutputIter first, Size n, const Tp& value) {
  for ( ; n > 0; --n, ++first)
    *first = value;
  return first;
}