迭代器（iterator）是STL里面很基础也很重要的一个东西，迭代器的traits技术设计的很棒（在上一篇文章《STL笔记之空间配置器》中提到destroy函数使用了traits技术来判断对象是否具有trivial destructor，然后通过重载自动选择合适的实现版本）。
迭代器是一种行为类似指针的对象，因为指针最常用的是->和*两个操作符，因此迭代器最重要的编程工作也是对这两个操作符的重载的实现。
1. 初探traits技术
假设现在定义了这样一个迭代器MyIter，当我们拿到一个MyIter对象时，如何判断他的类型呢？
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 | template<class T> struct MyIter { T* ptr; MyIter(T* p=0) : ptr(p) {} T& operator*() const { return *ptr; } }; MyIter<int> iter(new int(1)); // What's type of *iter ??? |
在STL的实现中，给MyIter添加了一个value_type的定义，然后通过MyIter
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 | #include <iostream> using namespace std; template<class T> struct MyIter { typedef T value_type; // value_type定义 T* ptr; MyIter(T* p=0) : ptr(p) {} T& operator*() const { return *ptr; } }; template<class I> typename I::value_type // typename用于指明I::value_type是个类型 func(I ite) { return *ite; } int main(int argc, char **argv) { MyIter<int> ite(new int(8)); cout << func(ite) << endl; return 0; } // 输出8 |
上面的代码中通过模板参数的value_type来推导出具体的类型，注意typename用于指明I::value_type是个类型，如果没有typename的话，编译器将把value_type当成I的一个member或者member function。
问题：既然说迭代器是一种智能指针，那么func对于普通的原始指针也应该是可用的，但是普通的原始指针不是对象，并不不具备value_type这内嵌个类型的定义，解决之道就是使用偏特化技术（partial specialization）。
2. 模板特化
C++模板的分两种：偏特化和全特化（所谓偏特化是指部分特化）。
特化（或者说全特化，specialized）不过是一个花哨的术语，意思是形参不再为形参，它们已经有了确定的值；而偏特化（partial specialization）的意思是提供另一份template的定义，其本身仍然是一个template，或者说针对template参数更进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本。
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经过添加模板偏特化版本的定义之后，func对于原始指针也可以支持了。本文重点描述迭代器相关特性，所以关于特化的更多介绍，请自行搜索相关资料。
3. 迭代器基本框架
按照约定，迭代器需要定义5个内嵌类型：iterator_category、value_type、difference_type、pointer、reference
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 | 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; }; |
这些类型所表示的意义如下：
value type 用来表示迭代器所指对象的型别；
difference type 用来表示两个迭代器之间的距离；
reference 为引用类型；
pointer 为指针类型；
iterator_category 表明迭代器的类型；
根据迭代器移动特性与施行动作，迭代器被分为五类： 几种迭代器之间的关系图： 4. iterator源码 代码中有distance和advance两个函数，通过traits技术自动使用最佳的实现函数。 5. __type_traits 6. 迭代器设计模式 迭代器模式的类图结构如下： 参考 本文地址: 程序人生 >> STL笔记之迭代器
1. Input Iterator：这种迭代器所指对象，不允许外界改变，只读（read only）；
2. Output Iterator：唯写（write only）；
3. Forward Iterator：允许「写入型」算法（例如 replace()）在此种迭代器所形成的区间上做读写动作；
4. Bidirectional Iterator：可双向移动。某些算法需要逆向走访某个迭代器区间（例如逆向拷贝某范围内的元素），就可以使用 Bidirectional Iterators；
5. Random Access Iterator：前四种迭代器都只供应一部份指标算术能力（前3
种支持 operator++ ，第4种再加上 operator–），第5种则涵盖所有指标算术能力，包括 p+n, p-n, p[n], p1-p2, p1
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#ifndef __SGI_STL_INTERNAL_ITERATOR_BASE_H
#define __SGI_STL_INTERNAL_ITERATOR_BASE_H
#include <concept_checks.h>
__STL_BEGIN_NAMESPACE
// 五种迭代器tag的定义
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 {};
// input_iterator 定义
template <class _Tp, class _Distance> struct input_iterator {
// 类别为 input_iterator_tag
typedef input_iterator_tag iterator_category;
typedef _Tp value_type;
typedef _Distance difference_type;
typedef _Tp* pointer;
typedef _Tp& reference;
};
// output_iterator 定义
struct output_iterator {
// 类别为 output_iterator_tag
typedef output_iterator_tag iterator_category;
typedef void value_type;
typedef void difference_type;
typedef void pointer;
typedef void reference;
};
template <class _Tp, class _Distance> struct forward_iterator {
typedef forward_iterator_tag iterator_category;
// ...
};
template <class _Tp, class _Distance> struct bidirectional_iterator {
typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
// ...
};
template <class _Tp, class _Distance> struct random_access_iterator {
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
// ...
};
#ifdef __STL_USE_NAMESPACES
// iterator 定义
template <class _Category, class _Tp, class _Distance = ptrdiff_t,
class _Pointer = _Tp*, class _Reference = _Tp&>
struct iterator {
typedef _Category iterator_category;
typedef _Tp value_type;
typedef _Distance difference_type;
typedef _Pointer pointer;
typedef _Reference reference;
};
#endif /* __STL_USE_NAMESPACES */
// 偏特化
#ifdef __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION
// iterator_traits 模板
template <class _Iterator>
struct iterator_traits {
typedef typename _Iterator::iterator_category iterator_category;
typedef typename _Iterator::value_type value_type;
typedef typename _Iterator::difference_type difference_type;
typedef typename _Iterator::pointer pointer;
typedef typename _Iterator::reference reference;
};
// iterator_traits 针对指针的特化版本
template <class _Tp>
struct iterator_traits<_Tp*> {
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
typedef _Tp value_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;
typedef _Tp* pointer;
typedef _Tp& reference;
};
// iterator_traits 针对const指针的特化版本
template <class _Tp>
struct iterator_traits<const _Tp*> {
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
typedef _Tp value_type;
typedef ptrdiff_t difference_type;
typedef const _Tp* pointer;
typedef const _Tp& reference;
};
// 获取迭代器的类型 (返回一个该类型的对象)
template <class _Iter>
inline typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category
__iterator_category(const _Iter&)
{
typedef typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category _Category;
return _Category();
}
// 获取迭代器的 __distance_type
template <class _Iter>
inline typename iterator_traits<_Iter>::difference_type*
__distance_type(const _Iter&)
{
return static_cast<typename iterator_traits<_Iter>::difference_type*>(0);
}
// 获取迭代器的 __value_type
template <class _Iter>
inline typename iterator_traits<_Iter>::value_type*
__value_type(const _Iter&)
{
return static_cast<typename iterator_traits<_Iter>::value_type*>(0);
}
// __iterator_category 的const参数版本
template <class _Iter>
inline typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category
iterator_category(const _Iter& __i) { return __iterator_category(__i); }
// __distance_type 的const参数版本
template <class _Iter>
inline typename iterator_traits<_Iter>::difference_type*
distance_type(const _Iter& __i) { return __distance_type(__i); }
// __value_type 的const参数版本
template <class _Iter>
inline typename iterator_traits<_Iter>::value_type*
value_type(const _Iter& __i) { return __value_type(__i); }
#define __ITERATOR_CATEGORY(__i) __iterator_category(__i)
#define __DISTANCE_TYPE(__i) __distance_type(__i)
#define __VALUE_TYPE(__i) __value_type(__i)
#else /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */
// 如果不支持偏特化，那么就需要定义iterator_category的函数重载的形式了
// 这里略去了此部分源代码的解释，因为估计也只有{非主流}编译器才不支持偏特化吧
#endif /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */
// 体验traits技术的威力，针对不同的迭代器类型定义不同的distance实现版本
// _InputIterator 版本
template <class _InputIterator, class _Distance>
inline void __distance(_InputIterator __first, _InputIterator __last,
_Distance& __n, input_iterator_tag)
{
while (__first != __last) { ++__first; ++__n; }
}
// _RandomAccessIterator版本
template <class _RandomAccessIterator, class _Distance>
inline void __distance(_RandomAccessIterator __first,
_RandomAccessIterator __last,
_Distance& __n, random_access_iterator_tag)
{
__STL_REQUIRES(_RandomAccessIterator, _RandomAccessIterator);
__n += __last - __first;
}
// distance 接口
// 注意 _RandomAccessIterator 也是 _InputIterator
template <class _InputIterator, class _Distance>
inline void distance(_InputIterator __first,
_InputIterator __last, _Distance& __n)
{
__STL_REQUIRES(_InputIterator, _InputIterator);
// 通过 iterator_category 取得迭代器类型
__distance(__first, __last, __n, iterator_category(__first));
}
#ifdef __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION
// 对_Distance进行了特化
template <class _InputIterator>
inline typename iterator_traits<_InputIterator>::difference_type
__distance(_InputIterator __first, _InputIterator __last, input_iterator_tag)
{
typename iterator_traits<_InputIterator>::difference_type __n = 0;
while (__first != __last) {
++__first; ++__n;
}
return __n;
}
template <class _RandomAccessIterator>
inline typename iterator_traits<_RandomAccessIterator>::difference_type
__distance(_RandomAccessIterator __first, _RandomAccessIterator __last,
random_access_iterator_tag) {
__STL_REQUIRES(_RandomAccessIterator, _RandomAccessIterator);
return __last - __first;
}
template <class _InputIterator>
inline typename iterator_traits<_InputIterator>::difference_type
distance(_InputIterator __first, _InputIterator __last) {
typedef typename iterator_traits<_InputIterator>::iterator_category
_Category;
__STL_REQUIRES(_InputIterator, _InputIterator);
return __distance(__first, __last, _Category());
}
#endif /* __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION */
// 体验traits技术的威力，针对不同的迭代器类型定义不同的advance实现版本
// _InputIterator 版本
template <class _InputIter, class _Distance>
inline void __advance(_InputIter& __i, _Distance __n, input_iterator_tag) {
while (__n--) ++__i;
}
#if defined(__sgi) && !defined(__GNUC__) && (_MIPS_SIM != _MIPS_SIM_ABI32)
#pragma set woff 1183
#endif
// _BidirectionalIterator 之前前进与后退
template <class _BidirectionalIterator, class _Distance>
inline void __advance(_BidirectionalIterator& __i, _Distance __n,
bidirectional_iterator_tag) {
__STL_REQUIRES(_BidirectionalIterator, _BidirectionalIterator);
if (__n >= 0)
while (__n--) ++__i;
else
while (__n++) --__i;
}
#if defined(__sgi) && !defined(__GNUC__) && (_MIPS_SIM != _MIPS_SIM_ABI32)
#pragma reset woff 1183
#endif
// _RandomAccessIterator版本
template <class _RandomAccessIterator, class _Distance>
inline void __advance(_RandomAccessIterator& __i, _Distance __n,
random_access_iterator_tag) {
__STL_REQUIRES(_RandomAccessIterator, _RandomAccessIterator);
__i += __n;
}
// advance 接口
template <class _InputIterator, class _Distance>
inline void advance(_InputIterator& __i, _Distance __n) {
__STL_REQUIRES(_InputIterator, _InputIterator);
__advance(__i, __n, iterator_category(__i));
}
__STL_END_NAMESPACE
#endif /* __SGI_STL_INTERNAL_ITERATOR_BASE_H */
除了iterator_traits采用了traits技术外，还有一个叫做__type_traits的东西，也就是文章开头提到的：上一篇文章《STL笔记之空间配置器》就用到了__type_traits。1
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// 模拟true和false定义的两个空类型
struct __true_type {
};
struct __false_type {
};
template <class _Tp>
struct __type_traits {
typedef __true_type this_dummy_member_must_be_first;
// 默认都是返回__false_type
// 无意义的构造函数
typedef __false_type has_trivial_default_constructor;
// 无意义的复制构造函数
typedef __false_type has_trivial_copy_constructor;
// 无意义的赋值操作符
typedef __false_type has_trivial_assignment_operator;
// 无意义的析构函数
typedef __false_type has_trivial_destructor;
// 是否是POD类型
typedef __false_type is_POD_type;
};
// #define __STL_TEMPLATE_NULL template<>
// 这里定义的都是全特化版本
__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<char> {
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;
};
// ...
// 用于判断一个函数是否是整数类型
template <class _Tp> struct _Is_integer {
// 默认不是整数类型
typedef __false_type _Integral;
};
// 全特化版本
__STL_TEMPLATE_NULL struct _Is_integer<char> {
typedef __true_type _Integral;
};
迭代器模式是GoF提出的23中设计模式之一，迭代器模式提供一种方法顺序访问一个聚合对象中各个元素，而又不暴露该对象的内部表示。就如刚接触map/set等关联容器的时候，我们能够通过迭代器访问所有容器元素，却不知道容器是用红黑树实现的一样。
1. C++模板：究竟什么是特化？
作者：代码疯子（Wins0n） 本站内容如无声明均属原创，转载请保留作者信息与原文链接，谢谢！