使用traits技术表现迭代器类型 iterator_category

1.STL的迭代器类型标识，和容器中的迭代器类型。

2.使用trait技术实现stl的advance功能。

3.迭代器trait中的其他类型定义。 

1.STL的迭代器类型标识，和容器中的迭代器类型。

 熟悉的迭代器类型，输入、输出、前向、双向、随机。

c++标准程序库分别提供专属的卷标结构(tag struct)，一个空的结构体来标志具体是哪种类型迭代器。如下：

        //    ITERATOR STUFF (from <iterator>)
        // ITERATOR TAGS (from <iterator>)
struct input_iterator_tag
    {    // identifying tag for input iterators   
    };

struct output_iterator_tag
    {    // identifying tag for output iterators
    };

struct forward_iterator_tag
    : input_iterator_tag, output_iterator_tag
    {    // identifying tag for forward iterators  这些继承关系有有效的IS-A
    };

struct bidirectional_iterator_tag
    : forward_iterator_tag
    {    // identifying tag for bidirectional iterators
    };

struct random_access_iterator_tag
    : bidirectional_iterator_tag
    {    // identifying tag for random-access iterators
    };

而在每个容器中，就使用上述的tag struct标识自自身迭代器的类型，大概的思路是下面的样子，但真正源码实现复杂多。

// vector 容器 随机迭代器。list 容器 双向迭代器。
template<...> 
class vector{ 
public: 
    class iterator{ 
    public: 
        typedef random_access_iterator_tag iterator_category;  
　　　　 // 类型定义： vector<T>::iterator::iterator_category 就是 random_access_iterator_tag
　　　　 // 即类型里面还有一个类型， 而这个类型仅仅是用来标识 这个类是属于哪个类型的。 
    }; 
};

template<...> 
class list{ 
public: 
    class iterator{ 
    public: 
        typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category; 
    }; 
};

 

2.使用trait技术实现stl的advance功能。

STL标准模版库=｛容器templates，迭代器templates（关联容器 和 算法），算法templates，工具性template如advance｝。这里选择迭代器模版和Advance的实现来讲解trait技术。

 

先看看advance的用法：

// advance 函数签名
std::advance
template <class Iterator, class Distance>
  void advance (Iterator& it, Distance n);

// advance example
#include <iostream>     // std::cout
#include <iterator>     // std::advance
#include <list>         // std::list

int main () {
  std::list<int> mylist;
  for (int i=0; i<10; i++) mylist.push_back (i*10);

  std::list<int>::iterator it = mylist.begin();

  std::advance (it,5); 

  std::cout << "The sixth element in mylist is: " << *it << '
';

  return 0;
}

advance内部操作时候，需要知道advance的迭代器类型，看有哪些可用操作，比如随机访问器可以直接+= -=操作，前向仅支持++，输入输出均不支持，例子中的list属于双向，支持++，--。

所以在advance内部需要在取得某种类型信息，即迭代器的类型，进行不同的实现。

 

如何取得类型信息呢，在1中其实我们已经定义了迭代器的类型，可以通过 ”容器类型::iterator::iterator_category“来获取类型信息。

但如果要支持内置类型，比如指针是一种随机迭代器类型，那么类型信息就不能放在类型内了，意味着类型内的嵌套类的方式不能工作，所以类型的信息必须位于类型自身之外。

 

trait标准技术是把它放进一个template，并进行一个偏特化版本，来实现迭代器所属类型trait。trait特性的意思 就有有关迭代器的相关特性。

// 即再封装一层，如果是用户自定义的，就直接获取内部定义的迭代器类型
// 如果是内置类型，就直接给设定成他所属的迭代器类型，用模版偏特化
// iterator_traits 
template<typename IterT> 
struct iterator_traits{ 
    typedef typename IterT::iterator_category iterator_category; 
    // 注意: 这里typename关键字 指示编译器解析 IterT::iterator_category 为一个类型
    ... 
};

template<typename IterT>        //template 偏特化，针对内置指针 
struct iterator_traits<IterT*>{ 
    typedef random_access_iterator_tag iterator_category; 
};

template<typename IterT>       
struct iterator_traits<const IterT*>{ 
    typedef random_access_iterator_tag iterator_category; 
};

 

在advance的用法中，就可以使用 iterator_traits 类来判断是什么类型

// advance运行时确定使用哪种迭代器类型版本
template<typename IterT, typename DistT> 
void advance(IterT& iter, DistT d) 
{ 
    if (typeid(typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category) 
        == typeid(std::random_access_iterator_tag)) 
    { 
        iter += d;
    } 
    else if(前向迭代器类型)
    { 
         if (d < 0){throw std::out_of_range("Negative distance");} 
         while (d--) ++iter; 
    }
    else if(等等其他类型)
    ... 
} 

 

使用重载函数的机制，在编译器就确定调用哪个迭代器类型的advance，以提高运行时效率。

// advance编译器确定使用哪种迭代器类型版本

template<typename IterT, typename DistT> 
void advance(IterT& iter, DistT d) 
{ 
    doAdvance(iter, d, typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category()); 
}
// 比如 双向迭代器的函数 。重载doAdvance，实现不同的迭代器类型的具体操作。
// 可以看到迭代器类型仅仅是个重载的作用,使得重载机制得以运行，都不需要变量名。
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::bidirectional_iterator_tag)          
{                                                                                                               
    if (d >= 0) {while (d--) ++iter;} 
    else {while(d++) --iter;} 
} 

 

3.迭代器trait中的其他类型定义

template<class IterT>
struct iterator_traits{
    typedef typename IterT::iterator_category iterator_category;　　// 迭代器的类型所属
    typedef typename IterT::value_type value_type;   　　　　　　　　 // 迭代器所指对象的类型
    typedef typename IterT::difference_type difference_type;　　　　 // 迭代器之间的距离
 
    typedef typename IterT::pointer pointer;　　　　　　　　　　　　　　// 迭代器所指内容的地址
    typedef typename IterT::reference reference;　　　　　　　　　　　 // 迭代器所指之内容
};

template<typename IterT>        //template 偏特化，针对内置指针 
struct iterator_traits<IterT*>{ 
    typedef random_access_iterator_tag iterator_category; 
    typedef IterT value_type; 
    typedef ptrdiff_t difference_type ; 

    typedef IterT* pointer ; 
    typedef IterT& reference ; 
};

另外，STL提供了一个 iterator类，如果每个新设计的迭代器都继承他，可保证符合STL所需的规范。

// TEMPLATE CLASS iterator
template<class _Category,
    class _Ty,
    class _Diff = ptrdiff_t,
    class _Pointer = _Ty *,
    class _Reference = _Ty&>
    struct iterator
    {    // base type for iterator classes
    typedef _Category iterator_category;
    typedef _Ty value_type;
    typedef _Diff difference_type;

    typedef _Pointer pointer;
    typedef _Reference reference;
 };

整理自 effective C++ 条款 47：使用traits classes表现类型信息