C++ Traits Classes

2023-11-25 11:48:34

参考博文 https://blog.csdn.net/lihao21/article/details/55043881

Traits classes 的作用主要是用来为使用者提供类型信息。在 C++ 中，traits 习惯上总是被实现为 struct ，但它们往往被称为 traits classes。

为了清晰理解 traits 的原理，我们先来看 traits 使用的关键技术 —— 模板的特化与偏特化。

模板特化（Template Specialization）

所谓特化，就是将泛型的东西搞得具体化一些，从字面上来解释，就是为已有的模板参数进行一些使其特殊化的指定，使得以前不受任何约束的模板参数，受到特定的修饰，或完全被指定了下来。

我们先来看下一函数模板的通用定义：

template<typename T>
struct my_is_void {
    static const bool value = false;
};

然后，针对 void 类型，我们有以以下的特化版本：

template<>
struct my_is_void<void> {
    static const bool value = true;
};

测试代码如下：

my_is_void<bool> t1;
cout << t1.value << endl;  // 输出0
my_is_void<void> t2;
cout << t2.value << endl;  // 输出1

当声明 my_is_void<void> t2; 时，使用的是特化版本，故其 value 值为 1。

偏特化（Patial Spcialization）

偏特化就是只指定一部分而非所有模板参数，或者是参数的一部分而非全部特性。（模板函数只能全特化，没有偏特化）

template<typename T>
struct my_is_pointer {
    static const bool value = false;
};

我们对模板参数T进行限制，要求其为一个指针的类型：

template<typename T>
struct my_is_pointer<T*> {
    static const bool value = true;
};

测试：

my_is_pointer<int> p1;
cout << p1.value << endl;  // 输出 0，使用原始模板
my_is_pointer<int*> p2;
cout << p2.value << endl;  // 输出 1，使偏特化模板，因为指定了 int * 类型的参数

typename

以下模板的声明中， class 和 typename 有什么不同？

template<class T> class Test;
template<typename T> class Test;

答案是没有不同。但除此之外，C++ 并不总是把 class 和 typename 视为等价。有时候我们一定得使用 typename。

默认情况下，C++ 语言假定通过作用域运算符访问的名字不是类型。因此，如果你希望使用一个模板类型参数的类型成员，就必须显式告诉编译器该名字是一个类型。我们通过使用关键字 typename 来实现这一点：

template<typename T>
typename T::value_type top(const T &c)
{
    if (!c.empty())
        return c.back();
    else
        return typename T::value_type();//必须加typename
}

top 函数期待一个容器类型的实参，它使用 typename 指明其返回类型

测试代码：

vector<int> vec;
vec.push_back(1);
vec.push_back(2);
vec.push_back(3);
cout << top<vector<int> >(vec) << endl;  // 输出3

当我们希望通知编译器一个名字表示类型时，必须使用关键字 typename，而不能使用 class。

Traits Classes

说完了背景知识，我们正式进入 traits

我们知道，在 STL 中，容器与算法是分开的，彼此独立设计，容器与算法之间通过迭代器联系在一起。那么，算法是如何从迭代器类中萃取出容器元素的类型的？没错，这正是我们要说的 traits classes 的功能。
迭代器所指对象的类型，称为该迭代器的 value_type。我们来简单模拟一个迭代器 traits classes 的实现。

template<class IterT>
struct my_iterator_traits {
    typedef typename IterT::value_type value_type;
};

my_iterator_traits 其实就是个类模板，其中包含一个类型的声明。

对于my_iterator_traits，我们再声明一个偏特化版本。

template<class IterT>
struct my_iterator_traits<IterT*> {
    typedef IterT value_type;
    //即如果 my_iterator_traits 的实参为指针类型时，
    //直接使用指针所指元素类型作为 value_type。
};

为了测试 my_iterator_traits 能否正确萃取迭代器元素的类型，我们先编写以下的测试函数。

void fun(int a) {
    cout << "fun(int) is called" << endl;
}

void fun(double a) {
    cout << "fun(double) is called" << endl;
}

void fun(char a) {
    cout << "fun(char) is called" << endl;
}

我们通过函数重载的方式，来测试元素的类型。

测试代码如下：

my_iterator_traits<vector<int>::iterator>::value_type a;
fun(a);  // 输出 fun(int) is called
my_iterator_traits<vector<double>::iterator>::value_type b;
fun(b);  // 输出 fun(double) is called
my_iterator_traits<char*>::value_type c;
fun(c);  // 输出 fun(char) is called

为了便于理解，我们这里贴出 vector 迭代器声明代码的简化版本：

template <class T, ...>
class vector {
public:
    class iterator {
    public:
        typedef T value_type;
        ...
    };
...
};

我们来解释 my_iterator_traits<vector<int>::iterator>::value_type a; 语句的含义：

vector<int>::iterator 为 vector<int> 的迭代器，该迭代器包含了 value_type 的声明，由 vector 的代码可以知道该迭代器的 value_type 即为 int 类型。
接着，my_iterator_traits<vector<int>::iterator> 会采用 my_iterator_traits 的通用版本，即 my_iterator_traits<vector<int>::iterator>::value_type 使用 typename IterT::value_type 这一类型声明，这里 IterT 为 vector<int>::iterator，故整个语句萃取出来的类型为 int 类型。

对 double 类型的 vector 迭代器的萃取也是类似的过程。

而 my_iterator_traits<char*>::value_type 则使用 my_iterator_traits 的偏特化版本，直接返回 char 类型。

由此看来，通过 my_iterator_traits ，我们正确萃取出了迭代器所指元素的类型。

总结一下我们设计并实现一个 traits class 的过程：

确认若干我们希望将来可取得的类型相关信息，例如，对于上面的迭代器，我们希望取得迭代器所指元素的类型；
为该信息选择一个名称，例如，上面我们起名为 value_type；
提供一个 template 和一组特化版本（例如，我们上面的 my_iterator_traits），内容包含我们希望支持的类型相关信息。

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模板特化（Template Specialization）

偏特化（Patial Spcialization）

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