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条款47：请使用 traits classes 表现类型信息（Use traits classes for information about types）

article 2025/1/9 4:59:28

条款47：请使用 traits classes 表现类型信息

1.1 提出问题

想一想，下面的功能如何实现？（可以查看std::advance源码）

template<typename IterT, typename DistT>  
void advance(IterT& iter, DistT d); //前进iter d个单位;如果d<0，将iter向后移动

迭代器有很多类型，所以实现并不是iter+=d这么简单，需要考虑不同的迭代器类型。

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

template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT& iter, DistT d)
{
//我们需要获取类型的信息，以选择最快的方式
//这就是traits的作用:它们允许你在编译期间获取有关类型的信息。
    if (iter 是随机访问迭代器) {
        iter += d;  
    }  else {
        if (d >= 0) { while (d--) ++iter; }  
        else { while (d++) --iter; }  
    } 
}

1.2 解决办法

trait不是C++中的关键字或预定义结构；它们是C++程序员遵循的一种技术和约定。对该技术的要求之一是，它必须像对自定义类型一样对待内置类型。意味着在类型中嵌套信息之类的无法实现，因为没有办法在指针内部嵌套信息。因此，类型的traits信息必须位于类型的外部。

template<typename IterT> 
struct iterator_traits; // 关于迭代器类型信息的模板


//deque迭代器的类如下所示:
template < ... > // 模板参数被省略
class deque {
public:
    class iterator {
    public:     
//任何自定义的迭代器类型都必须包含一个嵌套的名为iterator_category的typedef，用于确认迭代器的分类。
        typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
        ...
    } :
    ...
};

Iterator_traits只是鹦鹉学舌地响应了iterator类的嵌套typedef:

// IterT类型的iterator_category是IterT指定的类型
template<typename IterT>
struct iterator_traits {
    typedef typename IterT::iterator_category iterator_category;
    ...
};
//这对于自定义类型很有效，但对于指针类型的迭代器根本不起作用，因为不存在具有嵌套typedef的指针。

iterator_traits为指针类型提供了模板的偏特化。指针充当随机访问迭代器，因此iterator_traits为它们指定了类别:

template<typename IterT> 	 
struct iterator_traits<IterT*> // 内置指针类型的模板偏特化
{
    typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
    ...
};

有了iterator_traits，（实际上它是标准库的一部分）我们可以改进advance的伪代码:

template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT& iter, DistT d)
{
//typeid运行时获知变量类型名称
    if (typeid(typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category) ==
        typeid(std::random_access_iterator_tag))
        ...
}
//在 C++17 之后，可以使用if constexpr：
//if 语句将在运行时期进行判断

我们可以通过重载，在编译期进行判断：

template<typename IterT, typename DistT> // 用于随机访问迭代器
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::random_access_iterator_tag)  
{
    iter += d;
}
template<typename IterT, typename DistT> // 用于双向迭代器
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::bidirectional_iterator_tag) 
{
    if (d >= 0) { while (d--) ++iter; }
    else { while (d++) --iter; }
}
template<typename IterT, typename DistT> // 用于输入迭代器
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::input_iterator_tag)
{
    if (d < 0) {throw std::out_of_range("Negative distance"); }
    while (d--) ++iter;
}
template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT& iter, DistT d)
{
 	doAdvance(iter, d, typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category()); 
}