引子
最近在写C++代码的时候, 经常能使用到萃取(traits)编程技术, 于是学习STL中关于萃取的知识, 并总结出来, 以飨读者, 同时加深自己的理解.
迭代器中萃取技术
STL简述
STL(Standard Template Library)是C++泛型编程(template技术)的集大成者, 迭代器在STL中发挥重要的作用. 在STL中有3个重要的概念:
容器, 包括顺序容器(vector, list)和关联容器(map, set)
算法, 各种操作容器的函数模版(count, count_if)
迭代器, 作为算法和容器的桥梁, 让算法独立于容器发展
迭代器的重要作用就是让容器和算法解耦合, 或者说让数据和操作解耦合, 算法利用迭代器作为输入, 从而摆脱对容器具体数据的访问. 容器生成的迭代器用于遍历容器中的每个元素, 同时避免暴露容器的内部数据结构和实现细节.
这里通过一个算法的例子来展示迭代器的使用:
template <class Iterator, class T>Iterator find(Iterator begin, Iterator end, const T& value){while (begin != end && *begin != value)++begin;return begin;}
注意这个例子展示的算法find()可以用于各种各样的容器(vector, map…), 试想没有迭代器, 那就需要为每个容器都实现一个find()算法, 何其繁琐.
简单的迭代器
在迭代器的实现中, 经常需要访问迭代器所指对象的类型,称之为该迭代器的value type. 利用内嵌类型申明typedef可以轻松实现隐藏所指对象类型, 如下迭代器的实现:
templates <class T>struct Iterator {typedef T value_type;...};泛型算法就可以通过typename Iterator::value_type来获得value type.template <class Iterator>typename Iterator::value_typegetValue(Iterator iter) {return *iter;}
注意关键字typename必不可少, 因为T是一个template参数, 在它被实例化之前, 编译器不知道T是一个类型还是一个其他的对象, typename用于告诉编译器这是一个类型, 这样才能通过编译.
萃取的概念
在简单的迭代器中, 通过内嵌类型申明很好的隐藏了所指对象的内部细节, 实现了数据和算法的分离, 但是STL要求支持迭代器的算法, 应该也要支持原生指针, 比如
Int array[4] = {1, 2, 3, 4};find(array, array+4, 3);
这里存在的一个难题就是原生指针不能内嵌类型申明, 于是这里就需要多一层的封装,萃取编译技术应运而生.
萃取(traits)编程技术，归纳成四个字就是：特性萃取。在迭代器的上下文中, 就是萃取出迭代器的value type, 可以概念上认为迭代器所指对象的类型(value type)就是该迭代器的一个特性(traits)
template <class Iterator>struct iterator_traits {typedef typename Iterator::value_type value_type;...};有了iterator_traits,就可以改写算法getValue():template <class Iterator>typename iterator_traits<Iterator>::value_typegetValue(Iterator iter) {return *iter;}
多一层封装的好处在于, iterator_traits是一个C++类模版,可以为原生指针(特殊的迭代器)定义模版偏特化, <<泛型思维>>对模版偏特化做出的定义是: 针对(任何)template参数进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本, 而原生指针T*, const T*就是一种偏特化.
template <class T>struct iterator_traits<T*> {typedef T value_type;};template <class T>struct iterator_traits<const T*> {typedef T value_type;};
现在不管迭代器是自定义类模板, 还是原生指针(T*, const T*), struct iterator_traits都能萃取出正确的value type
STL迭代器
Value type只是迭代器的一种特性(traits), 在实际情况中, STL迭代器总共定义了5个特性, 为了让用户自定义迭代器能适用于STL算法, STL做了一个约定, 即写了一个base class std::terator, 只要自定义的迭代器继承std::iterator, iterator_traits就能正确的萃取出迭代器的各种特性, 从而让自定义迭代器融入STL的大家庭, 无缝的使用各种泛型算法:
template < class Category , class Value , class Distance = ptrdiff_t ,class Pointer = Value*, class Reference = Value&>struct iterator {typedef Category category ;typedef Value value_type ;typedef Distance difference_type ;typedef Pointer pointer ;typedef Reference reference ;};
相应的iterator_traits定义如下:
template < class Iterator > struct iterator_traits {typedef typename Iterator::value_typevalue_type ;typedef typename Iterator::difference_type difference_type ;typedef typename Iterator::pointer pointer ;typedef typename Iterator::reference reference ;typedef typename Iterator::iterator_category iterator_category ;};template < class T > struct iterator_traits <T* > {typedef T value_type ;typedef ptrdiff_t difference_type ;typedef T* pointer ;typedef T& reference ;typedef random_access_iterator_tag iterator_category ;};template < class T > struct iterator_traits <const T* > {typedef T value_type ;typedef ptrdiff_t difference_type ;typedef const T* pointer ;typedef const T& reference ;typedef random_access_iterator_tag iterator_category ;};
上述迭代器中涉及其他四个特性, 限于篇幅, 不再累述, 有兴趣的读者自行翻阅下文的参考文献.
类型萃取
萃取(traits)编程技术弥补了C++语言本身的不足, 而STL仅仅是对迭代器的特性做出规范, 制定出iterator_traits.既然该技术如此有用, 就该应用于更加广泛的应用场景, SGI STL(Silicon Graphics System 开发的STL版本)做出了尝试, 把它应用在迭代器以外的世界, 于是产生了类型萃取的概念.
我们知道, C++自定义类型有很多特性(traits), 比如拥有构造函数, 拷贝构造函数, 析构函数. 另一方面, C++内置类型入整形int, long, 就没有构造函数, 拷贝构造函数, 析构函数. 根据这些特性, 我们就可以采用最有效的措施进行构造和赋值, 比如对内置类型, 根本就不需要调用构造函数和拷贝构造函数, 而直接采用内存处理操作(malloc(), memcpy()), 从而获得最高效率, 这对于大规模而且操作频繁的容器, 有显著的性能提升.
简单例子
为了使用类型中的这些特性, 可以给类型定义一个特性萃取机: __type_traits
struct __true_type {};struct __false_type {};Template <class T>struct __type_traits {typedef __false_type has_trivial_default_constructor;typedef __false_type has_trivial_destructor;};
因为内嵌类型申明没法表示true和false，我们在这里定义结构体表示__true_type和__false_type。缺省情况下, 这些特性都按照最保守的值, 接下来再根据具体的情况, 利用模版特化, 对具体的类型设定更加乐观的值. 比如内置int类型的定义模版特化:
template <>struct __type_traits<int> {typedef __true_type has_trivial_default_constructor;typedef __true_type has_trivial_destructor;};
根据<<STL源码剖析>>介绍, 某些编译器可以分析程序中的各个类型, 并生成相应的__type_trait模版特化. 当然对于不支持该功能的编译器来说, 手动编写模版特化, 才能定义更加乐观的值. 否则默认值__false_type将生效.
SGI STL类型萃取
SGI STL定义的__type_traits除了包含特性has_trivial_default_constructor和has_trivial_destructor, 还其他的特性, 如下所述:
template <class type>struct __type_traits {typedef __true_type this_dummy_member_must_be_first; //为特殊编译器定制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;};
应用场景-copy
模版函数copy()是STL一个泛型算法, 它有非常多的模版特化, 目的都是为了在不同的场景下提升性能, 希望在适当的情况下采用雷霆万钧的手段,从而获得最高性能, 比如针对不同的类型, 根据是否有拷贝构造函数, 它就可以有不同的操作:
// 拷贝一个数组, 其元素为任意类型, 视情况采用最有效拷贝手段template <class T>inline void copy(T* source, T* destination, int n) {copy(source destination, n,typename __type_traits<T>::has_trivial_copy_constructor());}// 拷贝一个数组,其元素类型没有trival copy constructorstemplate <class T>void copy (T* source, T* destination, int n, __false_type) {...}// 拷贝一个数组,其元素类型拥有trival copy constructorstemplate <class T>void copy (T* source, T* destination, int n, __true_type) {...}
应用场景-内存池中的析构函数
在内存池的实现中, 需要涉及对象内存空间的获取和释放, 一般情况下,释放一个对象的动态内存空间, 需要调用该对象的析构函数, 因此可以定义析构函数模版destruct()来执行析构操作, 另一方面, 如果该对象不需要析构函数，那destuct()就什么都不干。
template <class T>void destruct(T& t){typedef typename type_traits<T>::has_trivial_destrutor has_trivial_destructor;__destruct(t, has_trivial_destructor());}template<class T>__destruct(T& t, __ture_type){// 析构对象T}template<class T>__destruct<T& t, __false_type){// 啥也不干}
应用萃取技术
枚举类型转化成真实类型
在实际代码编写中, 经常会碰到这样的情景: 已知一个枚举常量, 获取对应真实类型, 这就可以通过萃取技术来解决, 比如定义一下枚举常量:
typedef enum FieldType{FIELDTYPE_UNDEFINED = 0,FIELDTYPE_INT8,FIELDTYPE_UINT8,FIELDTYPE_INT16,FIELDTYPE_UINT16,FIELDTYPE_INT32,FIELDTYPE_UINT32,FIELDTYPE_INT64,FIELDTYPE_UINT64,FIELDTYPE_FLOAT,FIELDTYPE_DOUBLE,FIELDTYPE_CSTRING,} EFieldType;
可以通过萃取技术来定义萃取机VariableTypeTraits, 来获取枚举类型对应的真实类型:
template<FieldType pt>struct VariableTypeTraits {typedef void SyntaxType;};上述含义表示，如果pt拥有一个特性void，那么就可以通过VariableTypeTraits<pt>::SyntaxType，把void萃取出来。当然，上述模块只是一个空壳, 因为对于不同的枚举类型来说，每次都从VariableTypeTraits<pt>::SyntaxType萃取出void是没有意义的。此时, 模版特化就派上用场了, 通过模版特化，就能为每个枚举类型定义对应的类型:#define VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(pt, type) \template<> \struct VariableTypeTraits<pt> \ { \typedef type SyntaxType; \};VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_INT8, int8_t)VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_UINT8, uint8_t)VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_INT16, int16_t)VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_UINT16, uint16_t)VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_INT32, int32_t)VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_UINT32, uint32_t)VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_INT64, int64_t)VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_UINT64, uint64_t)VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_FLOAT, float)VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_DOUBLE, double)
为了避免大量的代码重复, 上述使用了宏定义的实现方式. 定义上述内容之后, 就可以轻松获取枚举常量指向的真实类型了:
void Fun (FieldType ft) {switch (ft) {case FIELDTYPE_INT32:typedef VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT32>::SyntaxType syntaxType;syntaxType foo;...}}
我先把上文中代码片段组织成完整的程序，以加深读者对该用法的理解
// Traits_example1.cpp#include <stdio.h>#include <stdlib.h>#include <stdint.h>// 枚举类型定义typedef enum FieldType{FIELDTYPE_UNDEFINED = 0,FIELDTYPE_INT8,FIELDTYPE_INT32, //为简化问题，只列举两种} EFieldType;// 利用Traits编程技巧template<FieldType pt>struct VariableTypeTraits {typedef void SyntaxType;};template<>struct VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT8> {typedef int8_t SyntaxType;};template<>struct VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT32> {typedef int32_t SyntaxType;};// 测试demo函数void func(int8_t var){fprintf(stdout, "type: int8_t; value: %d\n", var);}void func(int32_t var){fprintf(stdout, "type: int32_t; value: %d\n", var);}int main(){typedef VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT8>::SyntaxType int8_type;int8_type int8_a = 1;func(int8_a);typedef VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT32>::SyntaxType int32_type;int32_type int32_b = 2;func(int32_b);return 0;}
真实类型转化成枚举类型
同理可以利用萃取技术实现真实类型到枚举类型的转化:
template <typename T>struct TypeTraits {static const FieldType FIELD_TYPE = FIELDTYPE_UNDEFINED;}
注意这里不能依葫芦画瓢画瓢使用嵌套类型申明(typedef), 因为枚举变量是对象而不是类型, 于是这里使用了类的静态常量来定义FIELD_TYPE, 接下来可以为各个类型定义模版特化,而没有模版特化的类型, 获得到的FILED_TYPE = FIELDTYPE_UNDEFINED
#define TYPE_TO_FIELDTYPE(type, field_type) \template<> \struct TypeTraits<type> { \static const FieldType FIELD_TYPE = field_type; \};TYPE_TO_FIELDTYPE(int8_t, FIELDTYPE_INT8);TYPE_TO_FIELDTYPE(uint8_t, FIELDTYPE_UINT8);TYPE_TO_FIELDTYPE(int16_t, FIELDTYPE_INT16);TYPE_TO_FIELDTYPE(uint16_t, FIELDTYPE_UINT16);TYPE_TO_FIELDTYPE(int32_t, FIELDTYPE_INT32);TYPE_TO_FIELDTYPE(uint32_t, FIELDTYPE_UINT32);TYPE_TO_FIELDTYPE(int64_t, FIELDTYPE_INT64);TYPE_TO_FIELDTYPE(uint64_t, FIELDTYPE_UINT64);TYPE_TO_FIELDTYPE(float, FIELDTYPE_FLOAT);TYPE_TO_FIELDTYPE(double, FIELDTYPE_DOUBLE);
使用起来也比较简单, 调用TypeTraits::FIELD_TYPE就可以获得int类型对应的枚举类型FIELDTYPE_INT32
一个简单的萃取的例子
#include <iostream>#include <vector>#include <list>template<typename T>struct MyTraits {static void print() { std::cout << "is ambious" << std::endl; }};template<typename T>struct MyTraits<T*> {static void print() { std::cout << "is pointer" << std::endl; }};template<typename T>struct MyTraits<std::vector<T>> {static void print() { std::cout << "is vector" << std::endl; }};template<typename T>struct MyTraits<std::list<T>> {static void print() { std::cout << "is list" << std::endl; }};int main(){MyTraits<int> data;data.print();MyTraits<std::vector<int>> data1;data1.print();MyTraits<std::list<int>> data2;data2.print();getchar();return 0;}
总结：
总结起来, traits编程技巧最大的好处有两点：
1、可以把利用“特性”来做的判断提升到编译级别，而不是运行时刻再来判断。这样提升了性能。
2、可以实现通用实现和数据的解耦合。
