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C++ traits技术浅谈

2018-06-17 23:17:11来源：未知阅读 ()

前言

　　traits，又被叫做特性萃取技术，说得简单点就是提取“被传进的对象”对应的返回类型，让同一个接口实现对应的功能。因为STL的算法和容器是分离的，两者通过迭代器链接。算法的实现并不知道自己被传进来什么。萃取器相当于在接口和实现之间加一层封装，来隐藏一些细节并协助调用合适的方法，这需要一些技巧（例如，偏特化）。最后附带一个小小的例子，应该能更好地理解特性萃取。

　　下面大部分来源于《STL源码剖析》，看原书能了解更多细节。

Traits编程技法

　　让我们一点点抛出问题，然后一点点深入。

　　1. 首先，在算法中运用迭代器时，很可能会用到其相应型别（迭代器所指之物的型别）。假设算法中有必要声明一个变量，以“迭代器所指对象的型别”为型别，该怎么办呢？

　　解决方法是：利用function template的参数推导机制。

 1 template <class I, class T>
 2 void func_impl(I iter, T t) {
 3         T tmp; // 这里就是迭代器所指物的类型新建的对象
 4         // ... 功能实现
 5 }
 6 
 7 template <class I>
 8 inline
 9 void func(I iter) {
10         func_impl(iter, *iter); // 传入iter和iter所指的值，class自动推导
11 }
12 
13 int main() {
14     int i;
15     func(&i);
16 }

　　这里已经可以看出封装的意思了，没有一层impl的封装的话，每次你都要显式地说明迭代器指向对象型别，才能新建tmp变量。加一层封装显得清爽很多。

　　迭代器相应型别不只是“迭代器所指对象的型别”一种而已。根据经验，最常用的相应型别有五种，然而并非任何情况下任何一种都可以利用上述的template参数推导机制来取得。

　　函数的“template参数推导机制”推导的只是参数，无法推导函数的返回值类型。万一需要推导函数的传回值，就无能为力了。

　　2. 声明内嵌型别似乎是个好主意，这样我们就可以直接获取。

 1 template <class T>
 2 struct MyIter {
 3     typedef T value_type; // 内嵌型别声明
 4     // ...
 5 };
 6 
 7 template <class I>
 8 typename I::value_type
 9 func(I ite) {
10     return *ite;
11 }
12 
13 // ...
14 MyIter<int> ite(new int(8));
15 cout << func(ite);

　　看起来不错，但是并不是所有迭代器都是class type，原生指针就不行！如果不是class type，就无法为它定义内嵌型别。

　　这时候就需要 偏特化 出现。

　　3. 偏特化就是在特化的基础上再加一点限制，但它还是特化的template。

 1 template <class I>
 2 struct iterator_traits {
 3     typedef typename I::value_type value_type;
 4 };
 5 
 6 template <class I>
 7 struct iterator_traits<T*> {
 8     typedef T value_type;
 9 };
10 
11 template <class I>12 typename iterator_traits<I>::value_type
13 func(I ite) {
14     return *ite;
15 }

　　func在调用 I 的时候，首先把 I 传到萃取器中，然后萃取器就匹配最适合的 value_type。（萃取器会先匹配最特别的版本）这样当你传进一个原生指针的时候，首先匹配的是带<T*>的偏特化版本，这样 value_type 就是 T，而不是没有事先声明的 I::value_type。这样返回值就可以使用 typename iterator_traits<I>::value_type 来知道返回类型。

　　下面附上《STL源码剖析》的图片：

让traits干更多东西

　　迭代器有常见有五种类型: value_type, difference_type, reference_type, pointer_type都比较容易在 traits 和相应偏特化中提取。但是，iterator_category一般也有5个，这个相应型别会引发较大规模的写代码工程。

　　例如，我们实现了 func_II, func_BI, func_RAI 分别代表迭代器类型是Input Iterator，Bidirectional Iterator和Random Access Iterator的对应实现。

　　现在，当客端调用func()的时候，我们可能需要做一个判断：

1 template<class Iterator>
2 void func(Iterator& i) {
3     if (is_random_access_iterator(i))
4         func_RAI(i);
5     if (is_bidirectional_iterator(i))
6         func_BI(i);
7     else
8         func_II(i);
9 }

　　但这样在执行时期才决定使用哪一个版本，会影响程序效率。最好能够在编译期就选择正确的版本。

　　重载这个函数机制可以达成这个目标。

1 struct input_iterator_tag {};
2 struct output_iterator_tag {};
3 struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag {};
4 // ...
5 // 继承的好处就是，当函数需要用 input_iterator_tag 的时候
6 // 假设你传进一个forward_iterator_tag，它会沿继承向上找，知道符合条件

　　声明了一些列 tag 之后，我们就可以重载 func函数： func(tag)。

　　到这里，各个型别的具体重载实现已经写好，但是需要一个统一的接口，这时候 traits 就可以出场了。

1 template<class Iterator>
2 inline void func(Iterator& i)
3 {
4     typedef typename Iterator_traits<Iterator>::iterator_category category;
5     __func(i, category()); // 各型别的重载
6 }

简单实例代码

　　所以说，traits一方面，在面对不同的输入类时，能找到合适的返回型别；另一方面，当型别对应有不同的实现函数的时候，能起到一个提取型别然后分流的作用。

　　先假设我们有一个 func 函数，可以接受自定义的类或者原始的指针作为参数，并自动输出使用了什么tag。

　　首先根据 traits（由本身或偏特化版本实现），它会提取 u 的返回型别，然后调用对应的构造函数 return_type()，来当作各个重载版本 __func 的重载标志区分不同的实际函数。

首先我们看看接口代码的编写

1 template <class unknown_class>
2 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type // 萃取器取得对应型别
3 func(unknown_class u) {
4     typedef typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type return_type;
5     return __func(u, return_type()); // 需要调用构造函数当tag
6 }

先 return_type 的构造函数

1 template <class unknown_class>
2 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
3 return_type(unknown_class) {
4     typedef typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type RT;
5     return RT();
6 }

然后是实现设定的 tag ，用来模仿前面说的 II，RAI等

1 struct A {};
2 struct B : A{};

然后是 traits 隆重登场，有两个偏特化版本。

 1 /*特性萃取器*/
 2 template <class unknown_class>
 3 struct unknown_class_traits {
 4     typedef typename unknown_class::return_type return_type;
 5 };
 6 
 7 /*特性萃取器 —— 针对原生指针*/
 8 template <class T>
 9 struct unknown_class_traits<T*> {
10     typedef T return_type;
11 };
12 
13 /*特性萃取其 —— 针对指向常数*/
14 template <class T>
15 struct unknown_class_traits<const T*> {
16     typedef const T return_type;
17 };

突然忘记了交代 unknown_class 的结构，自定义的类，必须要 typedef。

1 template <class AorB>
2 struct unknown_class {
3     typedef AorB return_type;
4 };

最后是func各个重载版本。

 1 template <class unknown_class>
 2 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
 3 __func(unknown_class, A) {
 4     cout << "use A flag" << endl;
 5     return A();
 6 }
 7 
 8 template <class unknown_class>
 9 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
10 __func(unknown_class, B) {
11     cout << "use B flag" << endl;
12     return B();
13 }
14 
15 template <class unknown_class, class T>
16 T
17 __func(unknown_class, T) {
18     cout << "use origin ptr" << endl;
19     return T();
20 }

有了这些我们就可以测试了

 1 int main() {
 2     unknown_class<B> b;
 3     unknown_class<A> a;
 4     //unknown_class<int> i;
 5     int value = 1;
 6     int *p = &value;
 7 
 8     A v1 = func(a);
 9     B v2 = func(b);
10     int v3 = func(p);
11 
12     char ch = getchar();
13 }

　　可以看到，对于用自定义类传入同一个接口，它会自动使用对应的函数，而且返回值也合适。对原始指针也适用，完美！

附

下面是完整代码：

 1 #include <iostream>
 2 using namespace std;
 3 
 4 /*先定义一些tag*/
 5 struct A {};
 6 struct B : A{}; // 继承的好处就是，当函数需要参数为A，
 7                 // 而你传入的参数为B的时候，可以往上一直找到适合的对象
 8 
 9 /*假设有一个未知类*/
10 template <class AorB>
11 struct unknown_class {
12     typedef AorB return_type;
13 };
14 
15 /*特性萃取器*/
16 template <class unknown_class>
17 struct unknown_class_traits {
18     typedef typename unknown_class::return_type return_type;
19 };
20 
21 /*特性萃取器 —— 针对原生指针*/
22 template <class T>
23 struct unknown_class_traits<T*> {
24     typedef T return_type;
25 };
26 
27 /*特性萃取其 —— 针对指向常数*/
28 template <class T>
29 struct unknown_class_traits<const T*> {
30     typedef const T return_type;
31 };
32 
33 
34 /*决定使用哪一个类型*/
35 template <class unknown_class>
36 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
37 return_type(unknown_class) {
38     typedef typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type RT;
39     return RT();
40 }
41 
42 template <class unknown_class>
43 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
44 __func(unknown_class, A) {
45     cout << "use A flag" << endl;
46     return A();
47 }
48 
49 template <class unknown_class>
50 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
51 __func(unknown_class, B) {
52     cout << "use B flag" << endl;
53     return B();
54 }
55 
56 template <class unknown_class, class T>
57 T
58 __func(unknown_class, T) {
59     cout << "use origin ptr" << endl;
60     return T();
61 }
62 
63 template <class unknown_class>
64 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
65 func(unknown_class u) {
66     typedef typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type return_type;
67     return __func(u, return_type());
68 }
69 
70 int main() {
71     unknown_class<B> b;
72     unknown_class<A> a;
73     //unknown_class<int> i;
74     int value = 1;
75     int *p = &value;
76 
77     A v1 = func(a);
78     B v2 = func(b);
79     int v3 = func(p);
80 
81     char ch = getchar();
82 }