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C++实现STL迭代器萃取的示例代码

2022-11-30 15:09:07 来源:易采站长站 作者:

C++实现STL迭代器萃取的示例代码

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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 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*> {
    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 <class 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:

C++实现STL迭代器萃取的示例代码

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。

C++实现STL迭代器萃取的示例代码

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 C::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
    }
}

到此这篇关于C++实现STL迭代器萃取的示例代码的文章就介绍到这了,更多相关C++ STL迭代器萃取内容请搜索我们以前的文章或继续浏览下面的相关文章希望大家以后多多支持我们

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