萃取(traits)编程技术的介绍和应用
引子
最近在写C++代码的时候, 经常能使用到萃取(traits)编程技术, 于是学习STL中关于萃取的知识, 并总结出来, 以飨读者, 同时加深自己的理解.
迭代器中萃取技术
STL简述
STL(Standard Template Library)是C++泛型编程(template技术)的集大成者, 迭代器在STL中发挥重要的作用. 在STL中有3个重要的概念:
容器, 包括顺序容器(vector, list)和关联容器(map, set)
算法, 各种操作容器的函数模版(count, count_if)
迭代器, 作为算法和容器的桥梁, 让算法独立于容器发展
迭代器的重要作用就是让容器和算法解耦合, 或者说让数据和操作解耦合, 算法利用迭代器作为输入, 从而摆脱对容器具体数据的访问. 容器生成的迭代器用于遍历容器中的每个元素, 同时避免暴露容器的内部数据结构和实现细节.
这里通过一个算法的例子来展示迭代器的使用:
template <class Iterator, class T> Iterator find(Iterator begin, Iterator end, const T& value) { while (begin != end && *begin != value) ++begin; return begin; }
注意这个例子展示的算法find()可以用于各种各样的容器(vector, map…), 试想没有迭代器, 那就需要为每个容器都实现一个find()算法, 何其繁琐.
简单的迭代器
在迭代器的实现中, 经常需要访问迭代器所指对象的类型,称之为该迭代器的value type. 利用内嵌类型申明typedef可以轻松实现隐藏所指对象类型, 如下迭代器的实现:
templates <class T> struct Iterator { typedef T value_type; ... };
泛型算法就可以通过typename Iterator::value_type来获得value type.
template <class Iterator> typename Iterator::value_type getValue(Iterator iter) { return *iter; }
注意关键字typename必不可少, 因为T是一个template参数, 在它被实例化之前, 编译器不知道T是一个类型还是一个其他的对象, typename用于告诉编译器这是一个类型, 这样才能通过编译.
萃取的概念
在简单的迭代器中, 通过内嵌类型申明很好的隐藏了所指对象的内部细节, 实现了数据和算法的分离, 但是STL要求支持迭代器的算法, 应该也要支持原生指针, 比如
Int array[4] = {1, 2, 3, 4}; find(array, array+4, 3);
这里存在的一个难题就是原生指针不能内嵌类型申明, 于是这里就需要多一层的封装,萃取编译技术应运而生.
萃取(traits)编程技术,归纳成四个字就是:特性萃取。在迭代器的上下文中, 就是萃取出迭代器的value type, 可以概念上认为迭代器所指对象的类型(value type)就是该迭代器的一个特性(traits)
template <class Iterator> struct iterator_traits { typedef typename Iterator::value_type value_type; ... };
有了iterator_traits,就可以改写算法getValue():
template <class Iterator> typename iterator_traits<Iterator>::value_type getValue(Iterator iter) { return *iter; }
多一层封装的好处在于, iterator_traits是一个C++类模版,可以为原生指针(特殊的迭代器)定义模版偏特化, <<泛型思维>>对模版偏特化做出的定义是: 针对(任何)template参数进一步的条件限制所设计出来的一个特化版本, 而原生指针T*, const T*就是一种偏特化.
template <class T> struct iterator_traits<T*> { typedef T value_type; }; template <class T> struct iterator_traits<const T*> { typedef T value_type; };
现在不管迭代器是自定义类模板, 还是原生指针(T*, const T*), struct iterator_traits都能萃取出正确的value type
STL迭代器
Value type只是迭代器的一种特性(traits), 在实际情况中, STL迭代器总共定义了5个特性, 为了让用户自定义迭代器能适用于STL算法, STL做了一个约定, 即写了一个base class std::terator, 只要自定义的迭代器继承std::iterator, iterator_traits就能正确的萃取出迭代器的各种特性, 从而让自定义迭代器融入STL的大家庭, 无缝的使用各种泛型算法:
template < class Category , class Value , class Distance = ptrdiff_t , class Pointer = Value*, class Reference = Value&> struct iterator { typedef Category category ; typedef Value value_type ; typedef Distance difference_type ; typedef Pointer pointer ; typedef Reference reference ; };
相应的iterator_traits定义如下:
template < class Iterator > struct iterator_traits { typedef typename Iterator::value_typevalue_type ; typedef typename Iterator::difference_type difference_type ; typedef typename Iterator::pointer pointer ; typedef typename Iterator::reference reference ; typedef typename Iterator::iterator_category iterator_category ; }; template < class T > struct iterator_traits <T* > { typedef T value_type ; typedef ptrdiff_t difference_type ; typedef T* pointer ; typedef T& reference ; typedef random_access_iterator_tag iterator_category ; }; template < class T > struct iterator_traits <const T* > { typedef T value_type ; typedef ptrdiff_t difference_type ; typedef const T* pointer ; typedef const T& reference ; typedef random_access_iterator_tag iterator_category ; };
上述迭代器中涉及其他四个特性, 限于篇幅, 不再累述, 有兴趣的读者自行翻阅下文的参考文献.
类型萃取
萃取(traits)编程技术弥补了C++语言本身的不足, 而STL仅仅是对迭代器的特性做出规范, 制定出iterator_traits.既然该技术如此有用, 就该应用于更加广泛的应用场景, SGI STL(Silicon Graphics System 开发的STL版本)做出了尝试, 把它应用在迭代器以外的世界, 于是产生了类型萃取的概念.
我们知道, C++自定义类型有很多特性(traits), 比如拥有构造函数, 拷贝构造函数, 析构函数. 另一方面, C++内置类型入整形int, long, 就没有构造函数, 拷贝构造函数, 析构函数. 根据这些特性, 我们就可以采用最有效的措施进行构造和赋值, 比如对内置类型, 根本就不需要调用构造函数和拷贝构造函数, 而直接采用内存处理操作(malloc(), memcpy()), 从而获得最高效率, 这对于大规模而且操作频繁的容器, 有显著的性能提升.
简单例子
为了使用类型中的这些特性, 可以给类型定义一个特性萃取机: __type_traits
struct __true_type {}; struct __false_type {}; Template <class T> struct __type_traits { typedef __false_type has_trivial_default_constructor; typedef __false_type has_trivial_destructor; };
因为内嵌类型申明没法表示true和false,我们在这里定义结构体表示__true_type和__false_type。缺省情况下, 这些特性都按照最保守的值, 接下来再根据具体的情况, 利用模版特化, 对具体的类型设定更加乐观的值. 比如内置int类型的定义模版特化:
template <> struct __type_traits<int> { typedef __true_type has_trivial_default_constructor; typedef __true_type has_trivial_destructor; };
根据<<STL源码剖析>>介绍, 某些编译器可以分析程序中的各个类型, 并生成相应的__type_trait模版特化. 当然对于不支持该功能的编译器来说, 手动编写模版特化, 才能定义更加乐观的值. 否则默认值__false_type将生效.
SGI STL类型萃取
SGI STL定义的__type_traits除了包含特性has_trivial_default_constructor和has_trivial_destructor, 还其他的特性, 如下所述:
template <class type> struct __type_traits { typedef __true_type this_dummy_member_must_be_first; //为特殊编译器定制 typedef __false_type has_trivial_default_constructor; typedef __false_type has_trivial_copy_constructor; typedef __false_type has_trivial_assignment_operator; typedef __false_type has_trivial_destructor; };
应用场景-copy
模版函数copy()是STL一个泛型算法, 它有非常多的模版特化, 目的都是为了在不同的场景下提升性能, 希望在适当的情况下采用雷霆万钧的手段,从而获得最高性能, 比如针对不同的类型, 根据是否有拷贝构造函数, 它就可以有不同的操作:
// 拷贝一个数组, 其元素为任意类型, 视情况采用最有效拷贝手段 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,其元素类型没有trival copy constructors template <class T> void copy (T* source, T* destination, int n, __false_type) {...} // 拷贝一个数组,其元素类型拥有trival copy constructors template <class T> void copy (T* source, T* destination, int n, __true_type) {...}
应用场景-内存池中的析构函数
在内存池的实现中, 需要涉及对象内存空间的获取和释放, 一般情况下,释放一个对象的动态内存空间, 需要调用该对象的析构函数, 因此可以定义析构函数模版destruct()来执行析构操作, 另一方面, 如果该对象不需要析构函数,那destuct()就什么都不干。
template <class T> void destruct(T& t) { typedef typename type_traits<T>::has_trivial_destrutor has_trivial_destructor; __destruct(t, has_trivial_destructor()); } template<class T> __destruct(T& t, __ture_type) { // 析构对象T } template<class T> __destruct<T& t, __false_type) { // 啥也不干 }
应用萃取技术
枚举类型转化成真实类型
在实际代码编写中, 经常会碰到这样的情景: 已知一个枚举常量, 获取对应真实类型, 这就可以通过萃取技术来解决, 比如定义一下枚举常量:
typedef enum FieldType { FIELDTYPE_UNDEFINED = 0, FIELDTYPE_INT8, FIELDTYPE_UINT8, FIELDTYPE_INT16, FIELDTYPE_UINT16, FIELDTYPE_INT32, FIELDTYPE_UINT32, FIELDTYPE_INT64, FIELDTYPE_UINT64, FIELDTYPE_FLOAT, FIELDTYPE_DOUBLE, FIELDTYPE_CSTRING, } EFieldType;
可以通过萃取技术来定义萃取机VariableTypeTraits, 来获取枚举类型对应的真实类型:
template<FieldType pt> struct VariableTypeTraits { typedef void SyntaxType; };
上述含义表示,如果pt拥有一个特性void,那么就可以通过VariableTypeTraits<pt>::SyntaxType,把void萃取出来。当然,上述模块只是一个空壳, 因为对于不同的枚举类型来说,每次都从VariableTypeTraits<pt>::SyntaxType萃取出void是没有意义的。此时, 模版特化就派上用场了, 通过模版特化,就能为每个枚举类型定义对应的类型:
#define VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(pt, type) \ template<> \ struct VariableTypeTraits<pt> \ { \ typedef type SyntaxType; \ }; VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_INT8, int8_t) VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_UINT8, uint8_t) VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_INT16, int16_t) VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_UINT16, uint16_t) VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_INT32, int32_t) VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_UINT32, uint32_t) VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_INT64, int64_t) VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_UINT64, uint64_t) VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_FLOAT, float) VARIABLE_TYPE_TRAITS_HELPER(FIELDTYPE_DOUBLE, double)
为了避免大量的代码重复, 上述使用了宏定义的实现方式. 定义上述内容之后, 就可以轻松获取枚举常量指向的真实类型了:
void Fun (FieldType ft) { switch (ft) { case FIELDTYPE_INT32: typedef VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT32>::SyntaxType syntaxType; syntaxType foo; ... } }
样例代码
我先把上文中代码片段组织成完整的程序,以加深读者对该用法的理解
// Traits_example1.cpp #include <stdio.h> #include <stdlib.h> #include <stdint.h> // 枚举类型定义 typedef enum FieldType { FIELDTYPE_UNDEFINED = 0, FIELDTYPE_INT8, FIELDTYPE_INT32, //为简化问题,只列举两种 } EFieldType; // 利用Traits编程技巧 template<FieldType pt> struct VariableTypeTraits { typedef void SyntaxType; }; template<> struct VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT8> { typedef int8_t SyntaxType; }; template<> struct VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT32> { typedef int32_t SyntaxType; }; // 测试demo函数 void func(int8_t var) { fprintf(stdout, "type: int8_t; value: %d\n", var); } void func(int32_t var) { fprintf(stdout, "type: int32_t; value: %d\n", var); } int main() { typedef VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT8>::SyntaxType int8_type; int8_type int8_a = 1; func(int8_a); typedef VariableTypeTraits<FIELDTYPE_INT32>::SyntaxType int32_type; int32_type int32_b = 2; func(int32_b); return 0; }
真实类型转化成枚举类型
同理可以利用萃取技术实现真实类型到枚举类型的转化:
template <typename T> struct TypeTraits { static const FieldType FIELD_TYPE = FIELDTYPE_UNDEFINED; }
注意这里不能依葫芦画瓢画瓢使用嵌套类型申明(typedef), 因为枚举变量是对象而不是类型, 于是这里使用了类的静态常量来定义FIELD_TYPE, 接下来可以为各个类型定义模版特化,而没有模版特化的类型, 获得到的FILED_TYPE = FIELDTYPE_UNDEFINED
#define TYPE_TO_FIELDTYPE(type, field_type) \ template<> \ struct TypeTraits<type> { \ static const FieldType FIELD_TYPE = field_type; \ }; TYPE_TO_FIELDTYPE(int8_t, FIELDTYPE_INT8); TYPE_TO_FIELDTYPE(uint8_t, FIELDTYPE_UINT8); TYPE_TO_FIELDTYPE(int16_t, FIELDTYPE_INT16); TYPE_TO_FIELDTYPE(uint16_t, FIELDTYPE_UINT16); TYPE_TO_FIELDTYPE(int32_t, FIELDTYPE_INT32); TYPE_TO_FIELDTYPE(uint32_t, FIELDTYPE_UINT32); TYPE_TO_FIELDTYPE(int64_t, FIELDTYPE_INT64); TYPE_TO_FIELDTYPE(uint64_t, FIELDTYPE_UINT64); TYPE_TO_FIELDTYPE(float, FIELDTYPE_FLOAT); TYPE_TO_FIELDTYPE(double, FIELDTYPE_DOUBLE);
使用起来也比较简单, 调用TypeTraits<int>::FIELD_TYPE就可以获得int类型对应的枚举类型FIELDTYPE_INT32
总结
总结起来, traits编程技巧最大的好处有两点
可以把利用“特性”来做的判断提升到编译级别,而不是运行时刻再来判断。这样提升了性能。
可以实现通用实现和数据的解耦合
参考文献
STL源码剖析-第3章
建议继续学习:
- 关于使用STL的红黑树map还是hashmap的问题 (阅读:7920)
- 一个简单的stl中string的split函数 (阅读:3258)
- STL笔记之二叉查找树 (阅读:3027)
- 小趣闻:STL的三个版本 (阅读:2867)
- STL笔记之hashtable (阅读:2601)
- 倒置字符串中的单词 (阅读:2462)
- 闲谈STL容器之size()成员函数 (阅读:2354)
- STL可能的误用-find_first_of和erase (阅读:2027)
- 不得不留意的STL string重载函数和隐式类型转换 (阅读:1382)
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- 作者:jiye 来源: 搜索技术博客-淘宝
- 标签: STL traits 萃取
- 发布时间:2014-12-01 23:14:11
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