STL之迭代器及traits编程

迭代器与STL

最新推荐文章于 2024-11-05 15:58:53 发布

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#STL #迭代器 #traits

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本文详细介绍了迭代器在STL中的重要角色，包括迭代器的基本概念、如何通过模板特化来处理不同类型的迭代器，以及迭代器的五种关键属性：value_type、difference_type、reference、pointer和iterator_category。

不论是泛型思维或STL的实际运用，迭代器都扮演着重要的角色。STL的中心思想在于：将数据容器和算法分开，彼此独立设计，最后再以一贴胶着剂将他们撮合在一起，这就是iterator！iterator是一种行为类似指针的对象，而指针的各种行为中最常见也最重要的便是内容提领(dereference) 和成员访问(member access)，因此，迭代器最重要的编程工作就是对 operator* 和 operator-> 进行重载工作。

迭代器相应型别获取的解决方法：利用function template的参数推导（argument deducation）机制，编译器会自动进行模板参数的推导。

template <class I, class T>
void func_impl(I iter, T t){
    T tmp; // 这里T就是迭代器所指之物的型别
    // ... 这里做原本func 应该做的全部工作
}
 
template <class I>
inline
void func(I iter){
    func_impl(iter, *iter); //func的工作全部移往func_impl
}
 
int main()
{
    int i;
    func(&i);
}

Partial Specialization(偏特化)：如果class template拥有一个以上的template 参数，我们可以针对其中某个（数个，但非全部）template 参数进行特化工作。偏特化是提供另一份template定义式，而其本身仍为templatized 。例子，面对一下这么一个类模板：

template <typename T>
class C {...};

我们很容易接受它有一个形式的如下的partial specialization：

template <typename T>
class C<T*> {...};

这个特化版本仅适用于“T为原生指针”的情况。有了这项利器，我们可以针对“迭代器模板参数为指针者”，设计特化版本的迭代器。

template <class I>
struct iterator_traits{ // traits意为“特性”
    typedef typename I::value_type value_type; // I内部定义有自己的value type
};

通过这个traits的作用，萃取出来的value_type就是I::value_type。则我们就可以这样定义函数返回型别：

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

下面是一个迭代器为原生指针的偏特化版本:

template <class T>
typename iterator_traits<T*>{
    typedef T value_type;
};

但是，针对“指向常数对象的指针”， iterator_traits<const int*>::value_type 获得的是const int，我们用它声明一个无法赋值的暂时变量也没什么用。因此，如果一个迭代器是一个pointer_to_const，我们应该设法令其value type为一个 non-const型别：

template <class T>
struct iterator_traits<const T*>{
    typedef T value_type;
};

根据经验，最常用到的迭代器相应型别有五种：value type, difference type, pointer, reference, iterator catagoly。

template <class I>
struct iterator_traits{
    typedef typename I::value_type value_type;
    typedef typename I::iterator_category  iterator_category;
    typedef typename I::difference_type  difference_type;
    typedef typename I::pointer pointer;
    typedef typename I::reference reference;
};

iterator_traits必须针对传入之型别 pointer 及 pointer-to-const 者，设计特化版本。

迭代器相应型别之一：value type

所谓value type是指迭代器所指对象的型别。任何一个打算与STL算法有完美搭配的class，都应该定义自己的value type内嵌型别。该型别做法如上所述。

迭代器相应型别之二：difference type

difference type用来表示两个迭代器之间的距离，因此它可以用来表示一个容器的最大容量。如果一个泛型算法提供计数功能，其传回值就必须使用迭代器的 difference type：

template<class I, class T>
typename iterator_traits<I>::difference_type  //返回型别
count(I first, I last, const T& value){
    typename iterator_traits<I>::difference_type n = 0;
    for( ; first != last; ++first)
        if(*first == value) ++n;
    return n;
}

针对相应型别difference type，traits的如下两个特化版本，以C++内建的ptrdiff_t作为原生指针的difference type：

template <class I>
struct iterator_traits{
    typedef typename I::difference_type difference_type;
};
//原生指针的偏特化版本
template <class T>
struct iterator_traits<T*>{
    typedef ptrdiff_t difference_type;
};
//原生指针的 point-to-const 偏特化版本 
template <class T>
struct iterator_traits<const T*>{
    typedef ptrdiff_t difference_type;
};

现在，任何时候当我们需要任何迭代器I的difference type，可以这么写：

typename iterator_traits<I>::diffenence_type

迭代器相应型别之三：reference type

从迭代器所指之物的内容是否允许改变的角度观之，迭代器分为两种：不允许改变“所指对象之内容”者，称为constant iterators；允许改变“所指对象之内容”者，称为mutable iterators。当我们对一个mutable iteraors进行提领操作时，获得的不应该是一个右值，而应该是一个左值。该型别和下一个pointer类似，具体实现见pointer实现。

迭代器相应型别之四：pointer type

template <class I>
struct iterator_traits{
    typedef typename I::pointer pointer;
    typedef typename I::reference reference;
};
//原生指针的偏特化版本
template <class T>
struct iterator_traits<T*>{
    typedef T* pointer;
    typedef T& reference;
};
//原生指针的 point-to-const 偏特化版本 
template <class T>
struct iterator_traits<const T*>{
    typedef const T* pointer;
    typedef const T& reference;
};

迭代器相应型别之五：iterator_category

根据移动特性及施行操作，迭代器被分为五类：

Input Iterator：这种迭代器所指的对象，不允许外界改变。只读！
Output Iterator：只写！
Forward Iterator：允许“写入型”算法在此种迭代器所形成的区间上进行读写操作
Bidirectional Iterator：可双向移动
Random Access Iterator：前三种支持operator++，第四种再加上operator--；这种则涵盖所有指针算术能力，包括p+n, p-n, p[n], p1-p2, p1<p2

这五种迭代器的分类与从属关系（非继承，只是概念和强化）如下：

定义五个classes，代表五种迭代器类型：

struct input_iterator_tag{};
struct output_iterator_tag{};
struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag{};
struct bidirectional_tag : public forward_iterator_tag{};
struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag{};

这样我们可以做以下测试：

#include <iostream>
struct A{};
struct B1 : public A {};
struct B2 : public A {};

template<class I>
void
func(I& p, A){std::cout << "A version" << std::endl;};

template<class I>
void
func(I& p, B2){std::cout << "B2 version" << std::endl;};

int main()
{
int * p;

func(p, A());
func(p, B1());
func(p, B2());

return 0;
}

输出结果如下：

我们可以利用这种继承关系，对每一种迭代器类型设计不同的算法。

为了符合规范，任何迭代器都应该提供五个内嵌相应型别，以利于traits萃取，否则便是自别于整个STL架构，可能无法与其他STL组件顺利搭配。STL提供了一个iterator class，如果每个新设计的迭代器都继承自它，就可保证符合STL所需之规范：

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;
};

iterator class 不含任何成员，纯粹是型别定义，所以继承它没有额外负担；由于后三个参数都有默认值，故新的迭代器只需提供前两个参数即可