深入淺析C++ traits技術(shù)

更新時間：2021年05月29日 11:33:18 作者：Theoyuan

traits就是提取“被傳進(jìn)的對象”對應(yīng)的返回類型，讓同一個接口實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。因?yàn)镾TL的算法和容器是分離的，兩者通過迭代器鏈接，本文通過實(shí)例代碼給大家介紹C++ traits技術(shù)，感興趣的朋友一起看看吧

前言

　　traits，又被叫做特性萃取技術(shù)，說得簡單點(diǎn)就是提取“被傳進(jìn)的對象”對應(yīng)的返回類型，讓同一個接口實(shí)現(xiàn)對應(yīng)的功能。因?yàn)镾TL的算法和容器是分離的，兩者通過迭代器鏈接。算法的實(shí)現(xiàn)并不知道自己被傳進(jìn)來什么。萃取器相當(dāng)于在接口和實(shí)現(xiàn)之間加一層封裝，來隱藏一些細(xì)節(jié)并協(xié)助調(diào)用合適的方法，這需要一些技巧（例如，偏特化）。最后附帶一個小小的例子，應(yīng)該能更好地理解特性萃取。

　　下面大部分來源于《STL源碼剖析》，看原書能了解更多細(xì)節(jié)。

Traits編程技法

　　讓我們一點(diǎn)點(diǎn)拋出問題，然后一點(diǎn)點(diǎn)深入。

　　1. 首先，在算法中運(yùn)用迭代器時，很可能會用到其相應(yīng)型別（迭代器所指之物的型別）。假設(shè)算法中有必要聲明一個變量，以“迭代器所指對象的型別”為型別，該怎么辦呢？

　　解決方法是：利用function template的參數(shù)推導(dǎo)機(jī)制。

template <class I, class T>
void func_impl(I iter, T t) {
        T tmp; // 這里就是迭代器所指物的類型新建的對象
        // ... 功能實(shí)現(xiàn)
}

template <class I>
inline
void func(I iter) {
        func_impl(iter, *iter); // 傳入iter和iter所指的值，class自動推導(dǎo)
}

int main() {
    int i;
    func(&i);
}

　　這里已經(jīng)可以看出封裝的意思了，沒有一層impl的封裝的話，每次你都要顯式地說明迭代器指向?qū)ο笮蛣e，才能新建tmp變量。加一層封裝顯得清爽很多。

　　迭代器相應(yīng)型別不只是“迭代器所指對象的型別”一種而已。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，最常用的相應(yīng)型別有五種，然而并非任何情況下任何一種都可以利用上述的template參數(shù)推導(dǎo)機(jī)制來取得。

　　函數(shù)的“template參數(shù)推導(dǎo)機(jī)制”推導(dǎo)的只是參數(shù)，無法推導(dǎo)函數(shù)的返回值類型。萬一需要推導(dǎo)函數(shù)的傳回值，就無能為力了。

　　2. 聲明內(nèi)嵌型別似乎是個好主意，這樣我們就可以直接獲取。

template <class T>
struct MyIter {
    typedef T value_type; // 內(nèi)嵌型別聲明
    // ...
};

template <class I>
typename I::value_type
func(I ite) {
    return *ite;
}

// ...
MyIter<int> ite(new int(8));
cout << func(ite);

　　看起來不錯，但是并不是所有迭代器都是class type，原生指針就不行！如果不是class type，就無法為它定義內(nèi)嵌型別。

　　這時候就需要偏特化出現(xiàn)。

　　3. 偏特化就是在特化的基礎(chǔ)上再加一點(diǎn)限制，但它還是特化的template。

 template <class I>
  struct iterator_traits {
      typedef typename I::value_type value_type;
  };
  
  template <class I>
  struct iterator_traits<T*> {
      typedef T value_type;
  };
 
 template <class I>12 typename iterator_traits<I>::value_type
 func(I ite) {
     return *ite;
 }

　　func在調(diào)用 I 的時候，首先把 I 傳到萃取器中，然后萃取器就匹配最適合的 value_type。（萃取器會先匹配最特別的版本）這樣當(dāng)你傳進(jìn)一個原生指針的時候，首先匹配的是帶<T*>的偏特化版本，這樣 value_type 就是 T，而不是沒有事先聲明的 I::value_type。這樣返回值就可以使用 typename iterator_traits<I>::value_type 來知道返回類型。

　　下面附上《STL源碼剖析》的圖片：

讓traits干更多東西

　　迭代器有常見有五種類型: value_type, difference_type, reference_type, pointer_type都比較容易在 traits 和相應(yīng)偏特化中提取。但是，iterator_category一般也有5個，這個相應(yīng)型別會引發(fā)較大規(guī)模的寫代碼工程。

　　例如，我們實(shí)現(xiàn)了 func_II, func_BI, func_RAI 分別代表迭代器類型是Input Iterator，Bidirectional Iterator和Random Access Iterator的對應(yīng)實(shí)現(xiàn)。

　　現(xiàn)在，當(dāng)客端調(diào)用func()的時候，我們可能需要做一個判斷：

template<class Iterator>
void func(Iterator& i) {
    if (is_random_access_iterator(i))
        func_RAI(i);
    if (is_bidirectional_iterator(i))
        func_BI(i);
    else
        func_II(i);
}

　　但這樣在執(zhí)行時期才決定使用哪一個版本，會影響程序效率。最好能夠在編譯期就選擇正確的版本。

　　重載這個函數(shù)機(jī)制可以達(dá)成這個目標(biāo)。

struct input_iterator_tag {};
 struct output_iterator_tag {};
struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag {};
 // ...
 // 繼承的好處就是，當(dāng)函數(shù)需要用 input_iterator_tag 的時候
// 假設(shè)你傳進(jìn)一個forward_iterator_tag，它會沿繼承向上找，知道符合條件

　　聲明了一些列 tag 之后，我們就可以重載 func函數(shù)： func(tag)。

　　到這里，各個型別的具體重載實(shí)現(xiàn)已經(jīng)寫好，但是需要一個統(tǒng)一的接口，這時候 traits 就可以出場了。

template<class Iterator>
 inline void func(Iterator& i)
 {
    typedef typename Iterator_traits<Iterator>::iterator_category category;
    __func(i, category()); // 各型別的重載
 }

簡單實(shí)例代碼

　　所以說，traits一方面，在面對不同的輸入類時，能找到合適的返回型別；另一方面，當(dāng)型別對應(yīng)有不同的實(shí)現(xiàn)函數(shù)的時候，能起到一個提取型別然后分流的作用。

　　先假設(shè)我們有一個 func 函數(shù)，可以接受自定義的類或者原始的指針作為參數(shù)，并自動輸出使用了什么tag。

　　首先根據(jù) traits（由本身或偏特化版本實(shí)現(xiàn)），它會提取 u 的返回型別，然后調(diào)用對應(yīng)的構(gòu)造函數(shù) return_type()，來當(dāng)作各個重載版本 __func 的重載標(biāo)志區(qū)分不同的實(shí)際函數(shù)。

首先我們看看接口代碼的編寫

 template <class unknown_class>
 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type // 萃取器取得對應(yīng)型別
 func(unknown_class u) {
     typedef typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type return_type;
     return __func(u, return_type()); // 需要調(diào)用構(gòu)造函數(shù)當(dāng)tag
 }

然后是實(shí)現(xiàn)設(shè)定的 tag ，用來模仿前面說的 II，RAI等

 template <class unknown_class>
 inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
 return_type(unknown_class) {
     typedef typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type RT;
     return RT();
 }

有了這些我們就可以測試了

struct A {};
struct B : A{};

然后是 traits 隆重登場，有兩個偏特化版本。

/*特性萃取器*/
template <class unknown_class>
struct unknown_class_traits {
    typedef typename unknown_class::return_type return_type;
};

/*特性萃取器 —— 針對原生指針*/
template <class T>
struct unknown_class_traits<T*> {
    typedef T return_type;
};

/*特性萃取其 —— 針對指向常數(shù)*/
template <class T>
struct unknown_class_traits<const T*> {
    typedef const T return_type;
};

突然忘記了交代 unknown_class 的結(jié)構(gòu)，自定義的類，必須要 typedef。

 template <class AorB>
struct unknown_class {
   typedef AorB return_type;
};

最后是func各個重載版本。

template <class unknown_class>
inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
__func(unknown_class, A) {
    cout << "use A flag" << endl;
    return A();
}

template <class unknown_class>
inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
__func(unknown_class, B) {
    cout << "use B flag" << endl;
    return B();
}

template <class unknown_class, class T>
T
__func(unknown_class, T) {
    cout << "use origin ptr" << endl;
    return T();
}

有了這些我們就可以測試了

int main() {
    unknown_class<B> b;
    unknown_class<A> a;
    //unknown_class<int> i;
    int value = 1;
    int *p = &value;

    A v1 = func(a);
    B v2 = func(b);
    int v3 = func(p);

    char ch = getchar();
}

　　可以看到，對于用自定義類傳入同一個接口，它會自動使用對應(yīng)的函數(shù)，而且返回值也合適。對原始指針也適用，完美！

附

下面是完整代碼：

#include <iostream>
using namespace std;

/*先定義一些tag*/
struct A {};
struct B : A{}; // 繼承的好處就是，當(dāng)函數(shù)需要參數(shù)為A，
                // 而你傳入的參數(shù)為B的時候，可以往上一直找到適合的對象

/*假設(shè)有一個未知類*/
template <class AorB>
struct unknown_class {
    typedef AorB return_type;
};

/*特性萃取器*/
template <class unknown_class>
struct unknown_class_traits {
    typedef typename unknown_class::return_type return_type;
};

/*特性萃取器 —— 針對原生指針*/
template <class T>
struct unknown_class_traits<T*> {
    typedef T return_type;
};

/*特性萃取其 —— 針對指向常數(shù)*/
template <class T>
struct unknown_class_traits<const T*> {
    typedef const T return_type;
};


/*決定使用哪一個類型*/
template <class unknown_class>
inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
return_type(unknown_class) {
    typedef typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type RT;
    return RT();
}

template <class unknown_class>
inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
__func(unknown_class, A) {
    cout << "use A flag" << endl;
    return A();
}

template <class unknown_class>
inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
__func(unknown_class, B) {
    cout << "use B flag" << endl;
    return B();
}

template <class unknown_class, class T>
T
__func(unknown_class, T) {
    cout << "use origin ptr" << endl;
    return T();
}

template <class unknown_class>
inline typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type
func(unknown_class u) {
    typedef typename unknown_class_traits<unknown_class>::return_type return_type;
    return __func(u, return_type());
}

int main() {
    unknown_class<B> b;
    unknown_class<A> a;
    //unknown_class<int> i;
    int value = 1;
    int *p = &value;

    A v1 = func(a);
    B v2 = func(b);
    int v3 = func(p);

    char ch = getchar();
}