条款47 请使用traits classes表现类型信息
记住:
★Traits classes使得“类型相关信息”在编译期可用。它们以templates和“templates特化”完成实现
★整合重载技术后,traits classes有可能在编译期对类型执行if...else测试
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STL共有5种迭代器:
①Input迭代器: 如:istream_iterator
仅前移,一次一步;
客户只可读取,且只能读取一次;
②Output迭代器:如ostream_iterator
仅前移,一次一步;
客户只可涂写其所指物,且只能涂写一次,不能读取
③Forward迭代器:
只能使用++操作符来单向遍历容器(不能用--);
可读写;
④Bidirectional迭代器:如STL的list、set、map的迭代器
可以用++和--操作符来双向遍历容器;
可读写;
⑤Random access迭代器: 如vector、deque和string的迭代器
可执行“迭代器算术”;
可直接访问容器中的任意一个元素的双向迭代器;
对于这五种分类,C++标准库提供专门的类型标记结构对它们进行区分:
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{};
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Traits并非C++关键字或一个预先定义好的构件;它是一种技术,也是一个C++程序员共同遵守的协议。
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设计并实现一个traits class
使用traits技术可以在编译期间获取某些类型信息,它要求对内置类型和用户自定义类型表现得一样好。标准模板库是把traits信息放到模板中,其中针对迭代器的被命名为iterator_traits,它是一个结构体:
template<typename IterT>
struct iterator_traits;
其工作原理是:针对每一个类型IterT,在结构体中声明某个typedef名为iterator_category,这个typedef用于确认IterT的迭代器分类。它包括两部分实现:
(1)对于自定义类型,用户必须在类模板中声明一个typedef名为iterator_category,比如对双端队列deque和列表list的模板类:
template<typename ...>
class deque{
public:
class iterator{
public:
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
...
};
...
}; template<typename ...>
class list{
public:
class iterator{
public:
typedef bidirectional_access_iterator_tag iterator_category;
...
};
...
};
在iterator_traits中,获取迭代器的类型信息:
template<typename IterT>
struct iterator_traits{
typedef typename IterT::iterator_category iterator_category;
...
};
(2)对于内置类型的指针,iterator_traits提供一个偏特化版本:
template<typename IterT> //template偏特化
struct iterator_traits<IterT*>{ //针对内置指针
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
...
};
因此,设计并实现traits class的步骤是:
(1)确认若干希望将来可取得的类型相关信息(例如对于迭代器,希望获取它的分类)。
(2)为该信息选择一个名称(例如iterator_category)。
(3)提供一个模板和一组特化版本(如iterator_traits),内含希望支持的类型相关信息。
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traits class的使用
如上所述的类型信息可在编译期间获取,但是此时需要对传递来的指针类型做出判断,如果使用if...else...分支判断语句,只有在运行期间才能获取。怎么办?
可以使用函数重载的办法:重载函数需要在编译期间通过确定参数类型来决定调用哪个版本,正好可以解决“编译期条件句”的问题。
PS:这个想法实在太牛了!
如前所述的迭代器类型问题,可以设计多个重载函数做适配于各个类型的操作,然后在同一个函数中调用它们。
template<typename IterT, typename DistT>
void advance( IterT& iter, DistT d ) { doAdvance( //doAdvance()有多个重载,其版本不同之处在于传递的迭代器的参数不同
iter, d,
typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category()
);
..
}; template<typename IterT, typename DistT> //这份实现用于random access迭代器
void doAdvance( IterT& iter, DistT d, std::random_access_iterator_tag )
{
iter+=d;
} template<typename IterT, typename DistT> //这份实现用于bidirectional迭代器
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::bidirectional_iterator_tag)
{
if(d>=){
while(d--)
++iter;
}
else{
while(d++)
--iter;
}
} template<typename IterT, typename DistT> //这份实现用于input迭代器,由于forward迭代器派生于input迭代器,也可用于forward迭代器
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::input_iterator_tag)
{
if(d<){
throw std::out_out_range("Negnative distance"); //对于input或forward迭代器,移动负距离会导致不明确的行为,因而抛出异常
}
while(d--)
++iter;
}
可见,使用traits class的方法是:
(1)建立一组重载函数或函数模板,彼此间差异只在于各自的traits参数,令每个函数实现代码与其接受的traits信息相适配。
(2)建立一个控制函数或函数模板,它调用上述重载函数并传递traits class所提供的信息。
条款48 认识template元编程(TMP)
记住:
★TMP(模板元编程)可将工作由运行期移往编译期,因而得以实现早期错误侦测和更高的执行效率
★TMP可被用来生成“基于政策选择组合”的客户定制代码,也可用来避免生成对某些特殊类型并不适合的代码
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TMP可以将部分执行期的任务提前至编译期完成,从而可以更早发现错误,更高效(编译时间会变长,但是执行期效率会高)。且TMP对“难以或甚至不可能于运行期实现出来的行为”的表现也很吸引人!
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TMP是图灵完备的,可以执行分支语句和循环(通过递归实现)。如解决阶乘问题:
template<unsigned n> //一般情况,递推关系式
struct Factorial{
enum { value = n * Factorial<n->::value };
};
template<> //特殊情况,以结束递归
struct Factorial<>{
enum{value = };
}; int main()
{
std::cout<<Factorial<>::value;
std::cout<<Factorial<>::value;
}
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使用TMP一般可以有如下效果:
(1)确保量度单位正确。
(2)优化矩阵运算。
(3)生成客户定制的设计模式。