SGI STL类型萃取： __type_traits

目录

• __type_traits基本概念
• __type_traits内嵌类型
• __type_traits针对C++标量类型的特化版
• __type_traits在STL中的应用
  • uniitialized_fill_n()全局函数
  • 负责对象析构的destroy()全局函数
  • copy()全局函数
  • 自定义__type_traits特化版

__type_traits基本概念

iterator_traits是STL针对迭代器加以规范，用来萃取迭代器特性的机制。SGI STL把这种技法扩大到迭代器以外的地方，于是有了__type_traits。（双下划线表示是内部所用，不在STL标准规范内）

iterator_traits 提供机制，用于萃取迭代器的5个特性：iterator_category（迭代器类型）、value_type（所指对象类型）、difference_type（迭代器做算术运算类型）、pointer（指针类型）、reference（引用类型）。

SGI中，__type_traits位于<type_traits.h>，它提供了一种机制，用于萃取不同类型属性：在编译期就能完成函数派生决定（function dispatch）。这对于编写template很有帮助，比如，当我们准备对一个“元素类型未知”的数组执行copy操作时，如果能事先知道元素类型是否有一个trivial copy constructor（平凡的拷贝构造函数），就能帮助我们决定是否使用更高效的memcpy()或memmove()。

__type_traits内嵌类型

程序中，可以这样应用__type_traits，T代表任意类型：

__type_traits<T>::has_trivial_default_constructor
__type_traits<T>::has_trivial_copy_constructor
__type_traits<T>::has_trivial_assignment_operator
__type_traits<T>::has_trivial_destructor
__type_traits<T>::is_POD_type // POD: Plain Old Data

上面的式子，返回的是“真”或“假”，便于我们决定采用上面策略，但结果不是bool值，而是有着真/假属性的“对象”，因为我们希望编译器可以在编译期，就利用响应结果来进行参数推导，而编译器只有面对class object形式的参数，才会做参数类型推导。因此，上面式子应该传回这样的东西：

// 用作真、假的标记类
struct __true_type {};
struct __false_type {};

这两个空白的class没有任何成员，仅作为标记类，不会带来任何负担。

为了达成上面5个式子，在__type_traits内定义一些typedefs，其（返回）值不是__true_type，就是__false_type。下面是SGI的做法：

template<class type>
struct __type_traits
{
  typedef __true_type this_dummy_member_must_be_first;
  /* 不要移除这个成员，它通知“有能力自动将__type_traits特化的编译器说，
  我们现在看到的这个__type_traits template是特殊的。这是为了确保万一编译器也使用一个名为__type_traits而其实与此处定义无任何关联的template时，所有事情仍将顺利运作”*/

  /* 以下条件应该遵守，因为编译器有可能自动为各类型专属的__type_traits特化版本：
    - 你可以重新安排以下的成员次序
    - 你可以移除以下任何成员
    - 绝对不可以将以下成员重命名而没有改变编译器中对应名称
    - 新加入的成员会被视为一般成员，除非你在编译期中加上适当支持
   */
  typedef __false_type has_trivial_default_constructor;
  typedef __false_type has_trivail_copy_constructor;
  typedef __false_type has_trivail_assignment_constructor;
  typedef __false_type has_trivail_destructor;
  typedef __false_type is_POD_type; // POD: Plain Old Data
};

为什么SGI把所有__type_traits的内嵌类型都定义为__false_type？
因为SGI定义出最保守的值，然后，再针对每个标量类型（scalar types）设计适当的__type_traits特化版本。

__type_traits可以接受任何类型的参数，5个typedefs将经由以下管道获得实值：

• 一般具现（general instantiation），内含对所有类型都必定有效的保守值。比如，上面各个has_trivial_xxx类型都被定义为__false_type，就是对所有类型都有效的保守值。
• 经过声明的特化版本，例如<type_traits.h>中对所有C++标量类型（scalar types）（指bool/char/int/float/double等基本类型）都提供了对应特化声明。
• 某些编译器自动为所有类型提供适当的特化版本。

__type_traits针对C++标量类型的特化版

/* 以下针对C++基本型别char, signed char, unsignedchar, short, unsigned short,
int, unsigned int, long, unsigned long, float, double, long double 提供特化版本.
注意, 每个成员的值都是__true_type, 表示这些型别都可采用最快速方式(如memcpy)来进行拷贝(copy)或赋值(assign) */

#   define __STL_TEMPLATE_NULL template<>

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<bool> {
   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;
};

#endif /* __STL_NO_BOOL */

__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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<signed 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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<unsigned 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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<short> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<unsigned short> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<int> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<unsigned int> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<long> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<unsigned long> {
   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;
};

...

__type_traits在STL中的应用

__type_traits在SGI STL中应用很广泛，举几个例子，前面这篇文章也提到过SGI STL内存基本处理工具：uninitialized_copy/uninitialized_fill/uninitialized_fill_n
，也有POD类型介绍。本文只挑选跟__type_traits有关的重点讲。

uniitialized_fill_n()全局函数

// __type_traits应用: uninitialized_fill_n()
template<class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIterator uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n, const  T& x) {
       return __uninitialized_fill_n(first, n, x, value_type(first));
}

uninitialized_fill_n()函数以x为初始化元素，自迭代器first开始构造n个元素。为求取最大效率，首先用value_type()萃取出迭代器first的value type，再用__type_traits 判断该型别是否为POD类型：

// __type_traits萃取T的is_POD_type特性，判断是否为POD类型
// 利用__type_traits判断该型别是否为POD类型
template<class ForwardIterator, class Size, class T, class T1>
inline ForwardIterator __uninitialized_fiil_n(ForwardIterator first, Size n, const  T& x, T1*) {
       typedef typename __type_traits<T1>::is_POD_type is_POD;
       return __uninitialized_fiil_n_aux(first, n, x, is_POD);
}

下面就“是否为POD类型”采取最适当的措施：

// 如果不是POD类型, 就派送(dispatch)到这里
template<class ForwardIterator, class Size, class T>
ForwardIterator __uninitialized_fill_n_aux(ForwardIterator first, Size n, const T&  x, __false_type) {
  ...
}

// 如果是POD类型, 就会派送(dispatch)到这里.
template<class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIterator ___uninitialized_fill_n_aux_(ForwardIterator first, Size n,  const T& x, __true_type) {
  ...
}

// 以下定义于<stl_algobase.h>中的fill_n()
template<class OutputIterator, class Size, class T>
OutputIterator fill_n(OutputIterator first, Size n, const T& value) {
  ...
}

负责对象析构的destroy()全局函数

// destroy()第一个版本, 接受一个指针
template<class T>
inline void destroy(T* pointer) {
  ...
}

// destroy()第二个版本, 接受两个迭代器. 次函数设法找出元素的数值类型,
// 进而利用__type_traits<>求取最适当措施
template<class ForwardIterator>
inline void destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last) {
  __destroy(first, last, value_type(first));
}

// __type_traits 萃取T的has_trivial_destructor特性, 判断是否为平凡析构函数
// 判断元素的数值类型(value type)是否有trivial destructor
template<class ForwardIterator, class T>
inline void __destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last, T*) {
  typedef typename __type_traits<T>::has_trivial_destructor  trivial_destructor;
  __destroy_aux(first, last, trivial_destructor());
}

// 如果元素的数值类型(value type)有non-trivial destructor, 则派送(dispatch)到这里
template<class ForwardIterator>
inline void __destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last,  __false_type) {
  ...
}

// 如果元素的数值类型(value type)有trivial destructor, 则派送(dispatch)到这里
template<class ForwardIterator>
inline void __destroy_aux(ForwardIterator first, ForwardIterator last,  __true_type) {
}

copy()全局函数

copy()全局函数用于拷贝。

// 利用__type_traits萃取T的has_trivial_copy_constructor特性，判断是否为平凡copy构造函数
// 拷贝一个数组, 其元素为任意型别, 视情况采用最有效率的拷贝手段
template<class T> inline void copy(T* source, T* destination, int n) {
       copy(source, destination, n, typename  __type_traits<T>::has_trivial_copy_constructor());
}

// 拷贝一个数组, 其元素型别拥有non-trivial copy constructors, 则dispatch到这里
template<class T> void copy(T* source, T* destination, int n, __false_type) {
       // ...
}

// 拷贝一个数组, 其元素型别拥有trivial copy constructors, 则dispatch到这里
// 可借助memcpy()完成工作
template<class T> void copy(T* source, T* destination, int n, __true_type) {
       // ...
}

自定义__type_traits特化版

通常，不应该直接使用__type_traits，STL内部使用。正如SGI <type_traits.h>内部有这样的声明：

/* NOTE: This is an internal header file, included by other STL headers.
 * You should not attempt to use it directly.
 */

因为，编译器通常会自动为class生成这些特性，这些特性取决于自定义class是否包含trivial default constructor，trivial copy constructor，trivial assignment operator，或者trivial destructor。但有些古老的编译器，可能并不能为class生成这些特性，导致即使是POD类型，但萃取出来的特性依然是__false_type。此时，需要自行设计一个__type_traits特化版本，明确告诉编译器该class具有哪些特性：

// 假设自定义class名为Shape
// 针对Shape设计的__type_traits特化版本
template<> struct __type_traits<Shape> {
    typedef __true_type  has_trivial_default_constructor; // 告诉编译器Shape拥有trivial default constructor
    typedef __false_type has_trivial_copy_constructor;
    typedef __false_type has_trivial_assignment_constructor;
    typedef __false_type has_trivial_destructor;
    typedef __false_type is_POD_type;
};

如何判断一个class什么时候有自己的non-trivial default constructor，non-trivial copy constructor，non-trivial assignment operator，non-trivial destructor？
一个简单判断原则：如果class内含指针成员，并且进行了动态内存配置，那么该class就需要实现出自己的non-trivial-xxx。