C++实现STL迭代器萃取的示例代码

目录

• 导言
• 什么是迭代器
• 为什么需要迭代器萃取
• value type
• difference type
• reference type
• point type
• iterator_category
• 知识点补充
• 例外

导言

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，迭代器所指之物的型别、所属的类型（随机迭代器、单向双向、只读只写）便是。

如果我们想要以迭代器所指之物型别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 的参数推倒（argument deducation）机制。

例如：

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

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编程客栈 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。

更多关于 typename 的用法可以查看文末补充内容

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 ret = 0;
    for (; first != last; ++first) {
        if (*first == value) {
            ret++;
        }
    }
    return ret;
}

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*&gjst; {
    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 <cla开发者_JS培训ss 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());
}

知识点补充

typename 的用法

Usage

typename 主要有两个作用，让我们先来看看标准手册对该关键字的说明。

In the template parameter list of a template declaration, typename can be used as an alternative to class to declare type template parameters.

在模板声明的模板参数列表中，typename 可以用来替换 class 声明模板参数类型

Inside a declaration or a definition of a template, typename can be used to declare that a dependent qualified name is a type.

在模板的声明或定义中，typename 可以用来声明从属名称是一种类型

声明模板参数类型

以下 tempalate 声明式中，class 和 typename 用什么不同？

template <class T>
class Qgw;

​​​​​​​template <typename T>
class Qgw;

答案：完全一样。标准中说 typename 可以用来替换 class 声明模板参数类型，并没有说在此时有什么不编程客栈同。

声明嵌套从属名称

在了解这个作用前，我们需要先学习两种名称，从属名称（dependent names）和嵌套从属名称（nested dependent name）。

让我们来看这样一段代码，代码本身并没有实际意义。

// C 接收一个 STL 容器类型
// 这份代码并不正确
template <class C>
void Test(C& container) {
    C w;
    C::iterator iter(container.begin());
}

在上述代码中有两个局部变量 w 和 iter。w 的类型是 C，实际是什么取决于 template 参数 C。template 内出现的名称如果依赖于某个 template 参数称之从属名称。如果从属名称在 class 内呈嵌套状，就称为嵌套从属名称，像 iter 的类型为 C::iterator，就是一个嵌套从属名称。

嵌套状的理解：C 是一个 template 参数，在它被编译器具现化之前，编译器并不知道它是什么，也就无从得知 C 里面的 iterator 究竟是个类型还是函数又或是其他东西，因此需要我们用 typename 来指出它是一个类型。

嵌套从属名称有可能导致解析困难，先来看个比较极端的例子：

template <class C>
void Test(C& container) {
    C::iterator* x;
    ...
}

上述代码我们声明了一个局部变量 x，它是个指针，指向一个 C::iterator。但它之所以被这么认为，是因为我们已经知道 C::iterator 是个类型。如果 C::iterator 不是个类型呢？如果 C 有个 static 成员变量而又刚好叫 iterator，或者 x 是个全局变量呢？那样的话上述代码不再是声明一个局部变量，而是一个相乘动作。

在我们知道 C 是什么之前，没有任何办法可以编程客栈知道 C::iterator 是否是一个类型。C++ 有个规则可以解析这一歧义状态：如果解析器在 template 中遇到一个嵌套从属名称，它便假设这名称不是一个类型，除非你明确指出它是一个类型。所以缺省情况下嵌套从属名称不是类型，有两个例外会在下面指出。

我们可以用 typename 来明确指出嵌套从属名称是一个类型，标准中写到 typename 可以用来声明从属名称是一种类型。于是我们可以这样修改代码：

template <class C>
void Test(C& container) {
    C w;
    typename C::iterator iter(container.begin());
    typename phpC::iterator* x;
}

一个简单的规则：任何时候当你想在 template 中指涉一个嵌套从属名称，就必须在它的前一个位置放上关键字 typename。

typename 只能被用来验明嵌套从属名称，其他名称不该有它存在。

template <class C>
void Test(const C& container,             // 不允许使用 typename，vs 下没报错，g++ 报错了
          typename C::iterator iter);    // 一定要使用 typename

例外

typename 不可以出现在 base classes list 内嵌套从属名称之前，也不可以在 member initialization list（成员初始化列表）中作为 base class 修饰符。例如：

temalate <class T>
class Derived : public Base<T>::Nested {// base classes list 中不允许 typename
public:
    Derived (int x)
        : Base<T>::Nested(x) {            // mem.init.list 中不允许 typename
        typename Base<T>::Nested temp;    // 既不在 base classes list 也不在 mem.init.list 需要加 typename
    }
}

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