Traits技术

Traits 技术

(转自http://comparative.spaces.live.com/blog/）

 

1. 概念

Trait的中文意思就是特性，Traits就像特性萃取机，榨取不同类的特性，以便能统一处理。Traits依靠显式模板特殊化(explicit template specialization)来把代码中因类型不同而发生变化的片断拖出来，用统一的接口来包装。这个接口可以包含一个C++类所能包含的任何东西：内嵌类型，成员函数，成员变量，作为客户的模板代码可以通过traits模板类所公开的接口来间接访问之。花了点时间，憋了一个示例程序，虽然没什么实际意义，但对于理解traits来说，可能会有帮助。

#include <iostream>

class CM {};

class CA {};

class CIM {};

template< typename T >

class Traits

{

public:

    typedef unsigned int ValueType;

    Traits() : m_rate( 2 ) {}

    ValueType ComputeValue( ValueType value ) { return value * m_rate; }

private:

    ValueType m_rate;

};

template<>

class Traits< CM >

{

public:

    typedef double ValueType;

    Traits() : m_rate( 1.2 ) {}

    ValueType ComputeValue( ValueType value ) { return value * m_rate; }

private:

    ValueType m_rate;

};

template<>

class Traits< CA >

{

public:

    typedef int ValueType;

    Traits() : m_rate( -1 ) {}

    ValueType ComputeValue( ValueType value ) { return value * m_rate; }

private:

    ValueType m_rate;

};

template< typename T >

struct ValueCount

{

    void result()

    {

        Traits< T > traits;

        Traits< T >::ValueType value = static_cast< Traits< T >::ValueType >( 2 );

        std::cout << traits.ComputeValue( value ) << std::endl;

    }

};

int main()

{

    ValueCount< CIM > cim;

    cim.result();

    ValueCount< CM > cm;

    cm.result();

    ValueCount< CA > ca;

    ca.result();

    return 0;

}

代码中的Tratis类对于CA和CM有显式的特化实现，其中ValueType类型和rate与默认的实现不同，在类ValueCount中，利用Tratis对不同类型用一个统一的接口符号处理。程序的运行结果是4，2.4，-2。（这是我的第一个模版程序J）

2.SGI STL 中的 __type_traits

在SGI实现版的STL中，为了获取高效率，提供了__type_traits，用来提取类的信息，比如类是否拥有trival的构造、析构、拷贝、赋值操作，然后跟据具体的信息，就可提供最有效率的操作。以下摘录cygwin的gcc3.3源码，有改动，在<type_traits.h>中。

struct __true_type {};

struct __false_type {};

template <class _Tp>

struct __type_traits {

    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;

};

对于普通类来讲，为了安全起见，都认为它们拥有non-trival的构造、析构、拷贝、赋值函数，POD是指plain old data。接下来对C++的原生类型（bool，int， double之类）定义了显式的特化实现，以double为例：

template<> struct __type_traits<long double> {

    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;

};

还有，对所有的原生指针来讲，它们的构造、析构等操作也是trival的，因此有：

template <class _Tp>

struct __type_traits<_Tp*> {

    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;

};

简化<stl_algobase.h>中copy的部分代码来说明对__type_traits的应用。

template<typename _Tp>

inline _Tp*

__copy_trivial(const _Tp* __first, const _Tp* __last, _Tp* __result)

{

    memmove(__result, __first, sizeof(_Tp) * (__last - __first));

    return __result + (__last - __first);

}

template<typename _Tp>

inline _Tp*

__copy_aux (_Tp* __first, _Tp* __last, _Tp* __result, __true_type)

{ return __copy_trivial(__first, __last, __result); }

template<typename _Tp>

inline _Tp*

__copy_aux (_Tp* __first, _Tp* __last, _Tp* __result, __false_type)

{ 另外处理； }

template<typename _InputIter, typename _OutputIter>

inline _OutputIter

copy (_InputIter __first, _InputIter __last, _OutputIter __result)

{

    typedef typename iterator_traits<_InputIter>::value_type _ValueType;

    typedef typename __type_traits<_ValueType>::has_trivial_assignment_operator _Trivial;

    return __copy_aux(__first, __last, __result, _Trivial());

}

Copy函数利用__type_traits判断当前的value_type是否有trival的赋值操作，如果是，则产生类__true_type的实例，编译时选择__copy_trivial函数进行memmove，效率最高。如果是non-trival的赋值操作，则另作处理，效率自然低些。__true_type和__false_type之所以是类，就因为C++的函数重载是根据类型信息来的，不能依据参数值来判别。使用SGI STL时，可以为自己的类定义__type_traits显式特化版本，以求达到高效率。

3. STL 中的 iterator_traits

iterator_traits提供5个特性的提取，至于为什么是5个以及iterator的分类，以后再议。代码包含在<stl_iterator_base_types.h>中。

template<typename _Category, typename _Tp, typename _Distance = ptrdiff_t,

typename _Pointer = _Tp*, typename _Reference = _Tp&>

struct iterator

{

    typedef _Category iterator_category;

    typedef _Tp value_type;

    typedef _Distance difference_type;

    typedef _Pointer pointer;

    typedef _Reference reference;

};

template<typename _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;

};

原生指针（如int*，double*）也是iterator，但它不是类，无法提取出value_type，所以要对原生指针和const原生指针进行显式特化。

template<typename _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;

};

template<typename _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;

};

现在，对于所有的iterator都可以正确的提取出以上5个特性。

下面解释iterator_category，iterator共分为5类，input_iterator，output_iterator，forward_iterator，bidirectional_iterator，random_access_iterator。其中forward_iterator是input_iterator和output_iterator的强化（refinement），bidirectional_iterator是forward_iterator的强化，random_access_iterator是bidirectional_iterator的强化。由于5种iterator的性质的同异，需要对它们的种类进行区分，制定特化的函数以达到最优的效率，就像上一节的type_traits一样。需要强调的是，强化不是继承，C++重载机制支持对继承类的正确选择。由于不同iterator有共同的操作，在iterator_category中建立继承关系可以简化大部分特化函数的实现。

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 {};

由iterator_category带来的效率优化，可由在<stl_iterator_base_funcs.h>内的两个函数看出，一个是用来计算两个iterator的距离__distance，一个是将iterator累进n次的__advance。列举__distance的代码如下，有改动。

template<typename _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<typename _RandomAccessIterator>

inline typename iterator_traits<_RandomAccessIterator>::difference_type

__distance(_RandomAccessIterator __first, _RandomAccessIterator __last,

random_access_iterator_tag)

{ return __last - __first; }

template<typename _Iter>

inline typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category

__iterator_category(const _Iter&)

{ return typename iterator_traits<_Iter>::iterator_category(); }

template<typename _InputIterator>

inline typename iterator_traits<_InputIterator>::difference_type

distance(_InputIterator __first, _InputIterator __last)

{ return __distance(__first, __last, __iterator_category(__first)); }

4.  traits 技术还有很夸张的应用。《 C++  设计新思维：范型编程与设计模式之应用》中有体现，或者，泛型编程还得依赖 traits 技术，也许以后的 C++ 会从语言特性上支持 traits 。