STL 迭代器萃取

前言

什么是迭代器

迭代器是一种抽象的设计概念，《Design Patterns》一书中对于 iterator 模式的定义如下：提供一种方法，使之能够依序巡访某个聚合物（容器）所含的各个元素，而又无需暴露该聚合物的内部表述方式。

为什么需要迭代器萃取

有时在我们使用迭代器的时候，很可能会用到其相应型别（associated type）。什么是相应型别，就是迭代器所指之物的类型、所属的类型（随机迭代器、单向双向、只读只写）。

如果我们想要以「迭代器所指之物的类型」为类型声明一个变量，该怎么办呢？

一种解决方法是：利用 function template 的参数推导（argument deducation）机制。

例如：

template <class I, class T>
void func_impl(I iter, T t) {
  // 成功声明了迭代器所指之物类型的变量
  T tmp;	
}

template <class I>
void func(I iter) {
  func_impl(iter, *iter);
}

int main() {
  int num = 0;
  func(&num);
}

但迭代器的型别不只是迭代器所指对象的型别，而且上述解法并不能用于所有情况，因此需要更加全面的解法。

比如上述解法就无法解决 value type 用于函数返回值的情况，毕竟推导的只是参数，无法推导返回值型别。

声明内嵌类型似乎是个很好的方法，像这样：

template <class T>
struct MyIter {
  typedef T value_type;
  T* ptr;
  
  MyIter(T* p) {
    ptr = p;
  }
  
  T& operator*() { 
    return *ptr; 
  }
};

template <class I>
typename I::valie_type
func (I ite) {	// typename I::valie_type 为返回值类型
	return *ite;
}

MyIter<int> ite(new int(1231));
cout << func(ite) << endl;

此处 typename 的作用是告诉编译器这是一个类型，因为 I 是一个模板参数，在它被具现化之前编译器对它一无所知，也就是说编译器不知道 I::valie_type 是个类型或是成员函数等等。

关于 typename 的用法可以看这个链接：typename 的用法

还有一种情况是上述代码无法解决的，那就是不是所有的迭代器都是 class type，原生指针就不是。如果不是 class type 就无法为它定义内嵌型别，因此我们需要对原生指针作些特殊处理。

例如：

template <class I>
struct iterator_traits {
  typedef typename I::value_type value_type;
};

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

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

此时，不管是 class type 类型的迭代器还是原生指针都可以处理了。

迭代器萃取，就是为我们榨取出迭代器的相应型别。当然，要使萃取有效的运行，每个迭代器都要自行以内嵌性别定义（nested typedef）的方式定义出相应型别。

最常用的迭代器型别有五种：value type，difference type，pointer，reference，iterator catagoly。

迭代萃取机 traits 会很忠实地将它们榨取出来：

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

iterator_traits 必须针对传入型别为 point 及 point-to-const 者，设计特化版本。

value type

value type 是指迭代器所指对象的型别。

做法如上文所述。

difference type

difference type 用来表示两个迭代器之间的距离。对于连续空间的容器来说，头尾之间的距离就是最大容量，因此它也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记数功能，例如 STL 的 count()，其返回值就必须使用迭代器的 difference type：

template<class I, class T>
typename iterator_traits<I>::difference_type  // 返回值类型，实际是 I::difference type
count(I first, I last, const T& value) {
  typename iterator_traits<I>::difference_type res = 0;
  for (; first != last; ++first) {
    if (*first == value) {
      ++res;
    }
  }
  return res;
}

针对相应型别 difference type，traits 的两个特化版本，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;
};

template <class T>
struct iterator_traits<T*> {
  typedef ptrdiff_t difference_type;
};

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

reference type

从迭代器所指之物的内容是否允许改变的角度来说，迭代器分为两种：不允许改变所指对象的内容者，称为 constant iterators；允许改变所指对象的内容者，称为 mutable iterators。当我们对允许改变内容的迭代器进行解引用操作时，获得的不应是一个右值，应该是一个左值，因为右值不允许赋值操作。

在 C++ 中，函数如果要传回左值，都是以引用的方式进行。所以当 p 是个 mutable iterators 时，如果其 value type 是 T，那么 *p 的型别不应该是 T，而应是 T&。同样的，如果 p 是一个 constant iterators，其 value type 是 T，那么 *p 的型别不应该是 const T，而应该是 const T&。实现将在下一部分给出。

point type

同样的问题也出现在指针这里，能否改变所指地址的内容，影响着取出的指针类型。

实现如下：

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

template <class T>
struct iterstor_traits<T*> {
  typedef T* 	pointer;
  typedef T& 	reference;
};

template <class T>
struct iterstor_traits<const T*> {
  typedef const T*	pointer;
  typedef const T& 	reference;
};

iterator_category

根据移动特性与施行操作，迭代器被分为五类：

前三种支持 operator++，第四种再加上 oprerator–，最后一种则涵盖所有指针算术能力。

这些迭代器的分类与从属关系，可以用下图表示。直线与箭头并非表示继承关系，而是所谓概念与强化的关系。更类似于，随机迭代器是一个双向迭代器，双向迭代器也是一个单向迭代器的概念。

设计一个算法时，要尽可能针对图中某种迭代器提供一个明确定义，并针对更加强化的某种迭代器提供另一种定义，这样才能在不同情况下提供最大效率。

以 distance() 为例

distance() 函数用来计算两个迭代器之间的距离。针对不同的迭代器类型，它可以用不同的计算方式，带来不同的效率。

template <class InputIterator>
inline iterator_traits<InputIterator>::difference_type
__distance(InputIterator first, InputIterator last,
          input_iterator_tag) {
  iterator_traits<InputIterator>::iteratordifference_type n = 0;
  // 逐一累计距离
  while (first != last) {
  ++first;
    ++n;
  }
  return n;
}

template <class RandomAccessIterator>
inline iterator_traits<RandomAccessIterator>::difference_type
__distance(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last,
          random_access_iterator_tag) {
  // 直接计算差距
  return last - first;
}

// InputIterator 命名规则：所能接受的最低阶迭代器类型
template <class InputIterator>
inline iterator_traits<InputIterator>::difference_type
distance(InputIterator first, InputIterator last) {
	typedef typename iterator_traits<InputIterator>::iterator_category category;
  return __distance(first, last, category());
}