概述
Ch3 迭代器与traits编程技法
3.1 迭代器设计思维概述
- STL中心思想：将数据容器和算法分开，彼此独立设计，最后再以“胶合剂”将它们撮合在一起
迭代器便是这所谓的“胶合剂“，它能够实现：不管容器的数据结构是什么样的，迭代器都可以以指针的方式去操作容器内的每一个元素。 - 以算法find ()为例，它接受两个迭代器和一个搜寻目标。这个算法会对两个迭代器之间的内容进行遍历并比较（用到operator ++，operator != 和 operator * ）。从这个例子可以看到，迭代器依附于容器之下。
3.2 迭代器是一种smart pointer
- 在使用方法上，可以认为迭代器是一种指针，因为迭代器也需要像指针那样进行间接引用 （ operator * ）和成员访问（operator -> ）。于是关键在于重载这些运算符
- 可以参考c++标准程序库中的auto_ptr。据此可以设计一个适配于链表list的迭代器，数据成员为指针变量。为此需要实现operator * 、-> 、前置++、后置++、==、!= 运算符的重载。而拷贝构造函数和operator = 不需要，因为构造函数中包含默认参数，并且没有深拷贝的操作（只是运用指针的值，即使对象消失也不会丢内存，因此连析构函数都不需要）。
- 但实际上，为了完成针对List而设计的迭代器，需要暴露List的实现细节（因为运算符的操作需要用到List的函数和数据成员）。因此要设计迭代器就必须对容器的细节了如指掌。为了达到封装的效果，迭代器通常会和容器一起设计，因此每一种STL容器都有专属迭代器。
3.3 迭代器相应型别推导
- 实际上，在算法中运用迭代器时，很可能会用到其相应型别（比如说指针的基类型），但c++现有的运算符或函数即使能求出其型别，也并不能用于变量声明使用。
关于这一点，以下面代码为例
class MyClass{
/*省略*/
};
typedef MyClass* ElemPtr; //可以认为ElemPtr是“迭代器”（实际的迭代器比这个复杂）
int main(){
ElemPtr p; //p是Myclass*
ELemPtr* pp; //pp是MyClass**
ElemPtr& pr=p; //pr是引用！
//typeof(*ElemPtr) 无此用法！
//typeid(*ElemPtr) 得到的是型别名称，不能用于声明变量！
MyClass num; //这种声明才能得到ElemPtr的基类型数据！
}
-
解决办法是利用function template的参数推导机制
请看代码：
template<class I,class T> void func_impl(I iter,T value){ T temp; //temp是T类型 /*省略*/ } template<class I> inline void func(I iter){ func_impl(iter,*iter); //注意：这里传入的两个参数的类型分别为I* 和I，第二个参数前面的*是取内容的operator* } int main(){ MyClass C;//见前面 func(&C); }分析：main函数传入&C，其类型为MyClass *（&为取地址运算符），根据模板，I被翻译成MyClass ，因此 iter为MyClass * 类型的变量，而iter为MyClass类型的变量。此时再传入func_impl函数，根据模板，T类型就被翻译成MyClass类型，I被翻译成MyClass *类型。这时候T类型就是迭代器的型别。
-
然而，并非任何情况都可以用这种方法解决，请看下一节的例子
3.4 Traits编程技法
-
我们称迭代器对应数据的基类型为value type。如果value type必须用于函数的返回值，则上述方法无效。因为template参数推导机制只能导出参数型别，无法用于回返值
（疑问：在上例中main函数直接传指针和基类型，然后根据模板翻译结果令返回值为模板中的某个类型，例如模板中包含class T 和 class I，然后传MyClass* 类型和MyClass类型的变量，令返回值类型为I，相当于返回值为MyClass，这样做也能解决吧……）
（思考：但是上面的做法必须传入两个变量，书上的意思可能是只传一个变量无法解决。并且对于原生类型的常值而言，无法直接传递其地址，所以不能适用于所有情况）
-
一种解决方法是声明内嵌型别，请看代码：
template<class T> struct MyIter{ typedef T value_type; //内嵌式声明 T* ptr; MyIter(T* p=NULL):ptr(p){} T& operator*()const {return *ptr;} /*省略其他*/ } template<class I> typename I::value_type func(I ite){ return* ite }//返回类型是结构体I中的value_type，必须加上typename关键词，以告诉编译器这是个类型 int main(){ MyIter<int> ite(new int(8)); cout<<func(ite)<<endl; //输出8 return 0; }这种方法的局限性：原生指针不是迭代器，无法定义内嵌型别。若想做特殊化处理以适应原生指针，需要用到template partial specialization（模板偏特化）。
-
模板偏特化的意思是：如果class template拥有一个以上的参数，可以针对某些（但非全部）参数进行特化工作，也就是说提供一个特化版本
假设一个class template为：
template<typename T> class C{ //... }则其偏特化版本为：
template<typename T> class C<T*>{ //... }这里是针对于模板范围的偏特化，因为现在C类只接受指向T类型的指针。
据此，我们可以针对template参数为指针的情况设计特化的迭代器
-
下面这个class template专门用来萃取迭代器 的特性，value type也是特性之一
template<class I> struct iterator_traits{ typedef typename I::value_type value_type; };//获取迭代器I中的value type。于是本节2.中的func函数又可以这么写
template <class I> typename iterator_traits<I>::value_type func(I ite){ return *ite; }//这相当于把返回类型改成了iterator_traits中的value_type。(模板取I)现在我们对iterator_traits进行偏特化处理
template <class T> struct iterator_traits<T*>{ typedef T value_type; }//现在，value_type取T类型即可于是即使T是int类型，我们也可以使用4.中的func函数，因为这时候使用得是偏特化的iterator_traits，value_type能获取到int类型。
当然，考虑到常指针的存在，我们还需要进行偏特化。于是const int* 也可以被使用
template<class T> struct iterator_traits<const T*>{ typedef T value_type; } -
思路总结：
我们认为，原生指针也是一种迭代器，理应跟自定义迭代器享用相同的函数。对于自定义迭代器，我们采用内嵌式声明的方式以实现value_type的获取，然而原生指针并没有办法进行内嵌式声明定义。于是我们考虑使用模板偏特化的方式，用一个结构体iterator_traits获取类型T（T是迭代器）的value_type，同时编写偏特化模板接收原生（常）指针（这个是很容易分清的，因为你不会传入一个迭代器对象的指针，只会传对象，但你会传原生指针）。于是这样，我们就可以获取原生指针和迭代器类型的value_type了
（注意：模板不能写成< class T* >的形式，因此无法用重载func函数来解决）
-
最常用的迭代器相应型别有五种（列在下方），traits需要能将其一一取出
template<class I> struct iterator_traits{ typedef typename I::iterator_category iterator_category; //迭代器种类，下文介绍 typedef typename I::value_type value_type; //迭代器基类型T typedef typename I::difference_type difference_type; //迭代器中的ptrdiff_t typedef typename I::pointer pointer; //迭代器基类型的指针T* typedef typename I::reference reference; //迭代器基类型的引用T& }
3.4.1 value type获取
见上方1-5
3.4.2 difference type获取
-
difference type代表着两个迭代器之间的距离，用容器头尾之间的距离可以表示容器的最大容量。如果一个算法需要提供计数功能（例如STL中的count ()），就必须用到difference type
-
两个偏特化版本（原生指针和const 指针）的iterator_traits写法如下：
template<class T> struct iterator_traits<T*>{ typedef ptrdiff_t difference_type; } //const T*版本内容相同，不再复述于是当我们需要用到迭代器的difference type时，就可以这么写：
typename iterator_traits<I>::difference_type
3.4.3 reference type获取
- 首先要确定，我们只能对非 常迭代器（对应普通原生指针）进行提领操作。当我们进行提领操作时，获得的应该是个左值，因为右值不允许赋值操作。
- 在c++中，函数如果需要传回左值，都要以by reference的形式进行。因此当p是非 常迭代器时，如果p的value type是T，那么* p的型别应当是T&，并非T。同理，当p是常迭代器时，* p的型别应当是const T&，并非const T
- 具体的细节将在下一节展示
3.4.4 pointer type获取
-
既然可以传回左值，它代表p所指之物，那么也应当可以传回一个指针，指向迭代器所指之物。而实际上，operator * 返回的就是p所指之物（类型为T &），operator ->返回的是一个指向迭代器所指之物的指针（类型为T* ）
-
于是，我们把这两个运算符加进traits当中，并设计偏特化版本
template<class I> struct iterator_traits{ typedef typename I::pointer pointer; typedef typename I::reference reference; } template<class T> struct iterator_traits<T*>{ typedef T* pointer; typedef T& reference; } template<class T> struct iterator_traits<const T*>{ typedef const T* pointer; typedef const T& reference; }
3.4.5 iterator_category分类与获取
-
首先我们先讨论一下迭代器种类，根据移动特性与施行操作，可分为5种：
- Input Iterator：只读迭代器，不允许外界改变
- Output Iterator:只写迭代器
- Forward Iterator：允许读写
- Bidirectional Iterator：可双向移动并进行读写
- Random Access Iterator：除了前4种的功能，还能进行指针的所有操作（operator +，-，[]，<，>等）
看起来是第五种最强大，那是不是意味着都用第五种就好了呢？实际上不然。对于STL而言，效率和空间是最重要的，因为如果算法可以接受Forward Iterator，而你却使用Random Access Iterator，那么这是一种浪费。再比如，对于线性链表而言，访问元素只能从某一结点开始一一访问，因此只需要实现operator ++即可，这时候用RAI是一种浪费因为operator+仍然要用operator++实现
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例如函数advance ()，接收参数为迭代器引用和步长，用于向前移动指针。以下是三个版本的函数实现代码
//略去函数声明等细节，参数为：Iterator& i，Distance n while(n--) i++; //Input Iterator 版本 if(n>=0) while(n--) ++i; else while(n++) --i; //BiDirectional Iterator 版本 i+=n; //Random Access Iterator 版本那么这时候调用那么函数定义呢？如果选择第一个，对于RAI（第5中迭代器）而言很缺乏效率。如果选择第三个，II又无法接受（因为不支持operator +=）。可以用if else语句进行判断，但这样是在执行版本才决定用哪个函数，很浪费效率。因此采用重载的机制达成这一目标。
-
为了让函数同名，又能实现重载并使用模板，我们需要加上一个型别已经确定的参数，这个参数辨识迭代器类型。当然这个参数必须是一个类，不能是数值字符串，因为编译器需要用它的类型来决定执行哪个函数。因此下面需要定义5个class，并且没有任何成员，只是个标签。
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{};于是底层的实现函数便可以用重载的方式实现了，函数声明不同的地方仅在于参数部分。由于函数不需要使用标签（也没法使用，因为根本没有成员），因此声明参数时不必带上对象名。
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完成了重载函数，我们还需要一个上层接口以调用这些函数，这个接口函数只需要两个参数，在函数的实现部分才会添加iterator_category参数。具体的实现为
template<class InputIterator,class Distance> inline void advance(InputIterator& i,Distance n){ __advance(i,n,iterator_traits<InputIterator>::iterator_category()); } //iterator_traits<InputIterator>::iterator_category()产生的是一个临时对象，编译器根据这个临时 //对象的型别判断使用哪个重载函数__advance //在SGI STL中实际上会再声明一个函数求取第三个参数因此在iterator_traits中必须再加一个相应型别
template<class I> struct iterator_traits{ //... typedef typename I::iterator_category iterator_category; }任何一个迭代器的类型都应该是能包含其全部内容的迭代器的类型。例如int * 作为迭代器来看，应该属于RAI（因为RAI本来就是指能实现原生指针所有运算的迭代器）。因此特化版本的iterator_traits应该把RAI作为其类型。
注：实际上，前文的advance ()函数，其模板类型为Input Iterator，这是STL的命名规则：以算法所能接受的最低阶迭代器类型来为其迭代器型别参数命名。
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迭代器类型标签的类（结构体）采用继承的目的是：不仅可以契合重载机制，还可以规避写多余的传递调用的函数。以下是个例子：
//一个例子展现继承的作用 class A{}; class B:public A{}; class C:public B{}; template<class I> void func(I& item,A){ cout<<"A Class Version"<<endl; } template<class I> void func(I& item,C){ cout<<"C Class Version"<<endl; } int main(){ int p; func(p,A()); //输出"A Class Version"，因为参数完全契合 func(p,B()); //输出“A Class Version”，因参数不完全契合，根据继承关系调用A版本 func(p,C()); //输出"C Class Version"，因为参数完全契合 }从上面的例子可以看到，对于某个功能而言，B类和A类完全相同。那么我们通过继承的方式，可以少写一个重载函数。对于迭代器标签类型，也是这个道理。
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对于迭代器类型标签的应用，再举distance ()函数一例。distance函数用于计算两迭代器之间的距离，涉及到指针的相关运算，因此对于不同的迭代器而言，计算方法略有不同。除了RAI可以直接计算以外，其余都需要逐一累计（因为只有operator ++）。采用继承的方式，使得我们只需要写两个重载函数，就可以适合于所有的迭代器类型。
3.5 std::iterator 的保证
-
为了符合规范，任何迭代器都应该能提供五个内嵌相应型别，以利于traits萃取。为了简化工作，STL提供了一个iterators的class，作为任何迭代器的基类，这样可以保证符合规范
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代码见下
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; }; -
总结：
traits编程技法的关键在于用内嵌型别的编程技巧和template的模板机制增强型别的认证。此外还需要特别注意原生（常）指针也可以看做一种迭代器，而函数重载无法判别（因为模板无法接受class T*），因此需要对iterator_traits进行偏特化处理以适应原生（常）指针
对于一个迭代器，它应该包含5个相应型别：
- 迭代器种类。是一个“标签”，通过传入参数的类型决定。对于原生指针而言，是RAI
- 基类型。就是迭代器内部指针的基类型，对于原生指针而言就是指针的基类型。
- 指针类型。由基类型决定
- 引用类型。由基类型决定
- 指针距离。固定为ptrdiff_t
3.7 __type_traits
对于SGI STL而言，iterator_traits 负责萃取迭代器的特性，而__ type_traits则负责萃取value type的型别特性。（注意，__ type traits只是SGI STL使用的东西，不在STL标准内部）
-
value type的型别特性包括：
- 是否具备默认构造函数
- 是否具备默认拷贝构造函数
- 是否具备默认赋值函数
- 是否具备默认析构函数
- 是否为原生类型。（诸如int，char等C++自带的类型）
实际上，原生类型都是具备默认的构造，拷贝构造，赋值，析构函数的，而自定义数据类型（结构体，共用体，类等）则不一定。
对于1-4而言，如果答案是肯定的，那么我们在进行构造，析构，拷贝，赋值等操作的时候，就可以采用最有效率的方式（即根本不调用那些不必要的默认函数），并且可以采用内存直接处理操作malloc ()，memcpy ()等。
-
以下是代码实现。基本原理仍然是用typedef声明类型。
template<class type> struct __type_traits{ typedef true_type this_dummy_member_mus_be_first; //用于通知某些有能力自动特化type_traits的编译器，这个模板是特殊的。 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; //对于自定义的类型而言，我们认为都存在非默认的四个型别，并且不是POD。对于原生类型，会利用偏特化版本 //加以区分 }; //由于采用类型名进行区分（类似于iterator_traits中对于iterator category的处理），因此要定义两个标签 //__true_type和__flase_type。这两个标签都是空结构体 struct __true_type{}; struct __false_type{};以下是针对于原生类型的偏特化版本。篇幅原因，仅给出一种原生类型和其指针类型的代码实现
//偏特化版本，以int为例 template<> 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; }; //指针版本 template<> 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; }; //指针也是POD -
以uninitialized_fill_n() 函数为例
//这个函数的功能为以x为蓝本，从迭代器first开始构造n个元素。 template<class ForwardIterator,class Size,class T> inline ForwardIterator uninitialized_fill_n(ForwardIterator first,Size n,const T& x){ return __uninitialized_fill_n(first,n,x,value_type(first)); }//先萃取出迭代器first的value type，value_type是用来取value type的函数 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_zux(first,n,x,is_POD()); }//感觉参数表的最后一个参数应该是T1 //不是POD类型 template<class ForwardIterator,class Size,class T> inline ForwardIterator __uninitialized_fill_n_aux (ForwardIterator first,Size n,const T& x,__false_type){ ForwardIterator cur=first; for(;n>0;--n,++cur){ construct(&*cur,x); //*cur是针对于迭代器取其基类型数据，再把这个数据的地址传进参数，不可以直接传cur } } //是POD类型 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);//交给高阶函数处理 } //fill_n template<class OutputIterator,class Size,class T> OutputIterator fill_n(OutputIterator first,Size n,const T& value){ for(;n>0;--n,++first) *first=value;//直接赋值 return first; } -
关于自定义数据类型，即使没有非默认构造，析构，拷贝构造，赋值函数， __ type_traits也会认为拥有，这是出于保守起见，宁可牺牲部分情况的效率， 也要保证数据的操作不会出错。虽然有的强大的编译器会自行判断这些，但是不能保证精度。
如果一定要进行区分，可以写一个偏特化版本告诉编译器有哪些是非默认的。
注：如果class类成员有指针，并且进行了内存的动态配置，就一定要实现非默认的构造，拷贝构造，赋值和析构，这是为了防止出现内存丢失和浅拷贝带来的错误情况。
最后
以上就是彪壮康乃馨为你收集整理的【理论学习/C++】《STL源码剖析》学习笔记：Ch3迭代器与traits编程技法Ch3 迭代器与traits编程技法的全部内容，希望文章能够帮你解决【理论学习/C++】《STL源码剖析》学习笔记：Ch3迭代器与traits编程技法Ch3 迭代器与traits编程技法所遇到的程序开发问题。
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