boost源码剖析之:泛型编程精灵type_traits(rev#2)
刘未鹏
C++的罗浮宫(http://blog.csdn.net/pongba)
动机
使用traits的动机一般有三种,分派、效率、使某些代码通过编译。
分派
下面有一个模板函数,假设一个动物收容组织提供了它,他们接受所有无家可归的可怜的小动物,于是他们向外界提供了一个函数接受注册。函数看起来像这样:
template<class T> // T表示接受的是何种动物
void AcceptAnimals(T animal)
{
... //do something
};
但是,如果他们想将猫和狗分开处理(毕竟饲养一只猫和饲养一只狗并不相同。他们可能会为狗买一根链子,而温顺的猫则可能不需要)。一个可行的方法是分别提供两个函数:AcceptDog和AcceptCat,然而这种解决办法并不优雅(想想看,注册者可能既有一只猫又有一只狗,这样他不得不调用不同的函数来注册,而且,如果种类还在增多呢,那样会导致向外提供的接口的增多,注册者因此而不得不记住那些烦琐的名字,而这显然没有只需记住AccpetAnimal这一个名字简单)。如果想保持这个模板函数,并将它作为向外界提供的唯一接口,则我们需要某种方式来获取类型T的特征(trait),并按照不同的特征来采用不同的策略。这里我们有第二个解决办法:
约定所有的动物类(如class Cat,class Dog)都必须在内部typedef一个表明自己身份的类型,作为标识的类型如下:
struct cat_tag{}; //这只是个空类,目的是激发函数重载,后面会解释
struct dog_tag{}; //同上
于是,所有狗类都必须像这样:
class Dog
{
public:
// 类型(身份)标志,表示这是狗类,如果是猫类则为typedef cat_tag type;
typedef dog_tag type;
...
}
然后,动物收容组织可以在内部提供对猫狗分开处理的函数,像这样:
// 第二个参数为无名参数,只是为了激发函数重载
template<class T>
void Accept(T dog,dog_tag)
{...}
template<class T>
void Accpet(T cat,cat_tag) // 同上
{...}
于是先前的Accept函数可以改写如下:
template<class T>
void Accept(T animal) //这是向外界提供的唯一接口
{
// 如果T为狗类,则typename T::type就是dog_tag,那么typename T::type()就是创建了一个dog_tag类的临时对象,根据函数重载的规则,这将调用Accept(T,dog_tag),这正是转向处理狗的策略。如果T为猫类,则typename T::type为cat_tag,由上面的推导,这将调用Accept(T,cat_tag),即转向处理猫的策略,typename 关键字告诉编译器T::type是个类型而不是静态成员。
Accept(animal, typename T::type()); // #1
}
所有类型推导,函数重载,都在编译期完成,你几乎不用耗费任何运行期成本(除了创建dog_tag,cat_tag临时对象的成本,然而经过编译器的优化,这种成本可能也会消失)就拥有了可读性和可维护性高的代码。“但是,等等!”你说:“traits在哪?”,typename T::type其实就是traits,只不过少了一层封装而已,如果像这样作一些改进:
template<typename T>
struct AnimalTraits
{
typedef T::type type;
};
于是,#1处的代码便可以写成:
Accept(animal, typename AnimalTraits<T>::type());
效率
通常为了提高效率,为某种情况采取特殊的措施是必要的,例如STL里面的copy,原型像这样:
// 将[first,last)区间内的元素拷贝到以dest开始的地方
template<typename IterIn,typename IterOut>
IterOut copy(IterIn first,IterIn last,IterOut dest){
// ptr_category用来萃取出迭代器的类别以进行适当程度的优化
return copy_opt(first,last,dest, ptr_category(first,dest));
}
copy_opt有两个版本,其中一个是针对如基本类型的数组作优化的,如果拷贝发生在char数组间,那么根本用不着挨个元素赋值,基于数组在内存中分布的连续性,可以用速度极快的memmove函数来完成。ptr_category有很多重载版本,对可以使用memmove的情况返回一个空类如scalar_ptr的对象以激发函数重载。其原始版本则返回空类non_scalar_ptr的对象。copy_opt的两个版本于是像这样:
// 使用memmove
template<typename IterIn,typename IterOut>
IterOut copy(IterIn first,IterIn last,IterOut dest,
scalar_ptr)
{ ...}
// 按部就班的逐个拷贝
template<typename IterIn,typename IterOut>
IterOut copy(IterIn first,IterIn last,IterOut dest,
non_scalar_ptr)
{ ...}
其实通常为了提高效率,还是需要分派。
使某些代码能通过编译
这或许令人费解,原来不能通过编译的代码,经过traits的作用就能编译了吗?是的,考虑std::pair的代码(为使代码简洁,忽略大部分):
template <typename T1, typename T2>
struct pair
{
T1 first;
T2 second;
// 如果T1或T2本身是引用,则编译错误,因为没有“引用的引用”
pair(const T1 & nfirst, const T2 & nsecond) // #2
:first(nfirst), second(nsecond) { }
};
这里可以使用一个traits(boost库里面的名字为add_reference)来避免这样的错误。这个traits内含一个typedef,如果add_reference<T>的T为引用,则typedef T type;如果不是引用,则typedef T& type;这样#2处的代码便可改成:
pair(add_reference<const T1>::type nfirst,
add_reference<const T2>::type nsecond)
...
这对所有的类型都能通过编译。
boost库中的traits
boost中的Traits十分完善,可分为如下几大类:
1. Primary Type Categorisation(初级类型分类)
2. Secondary Type Categorisation(次级类型分类)
3. Type Properties(类型属性)
4. Relationships Between Types(类型间关系)
5. Transformations Between Types(类型间转换)
6. Synthesizing Types(类型合成)
7. Function Traits(函数traits)
由于其中一些traits只是简单的模板偏特化,故不作介绍,本文仅介绍一些技术性较强的traits。由于traits的定义往往重复代码较多,所以必要时本文仅剖析其底层机制。所有源码均摘自相应头文件中,为使源码简洁,所有的宏均已展开。由于traits技巧与编译平台息息相关,某些平台可能不支持模板偏特化。这里我们假设编译器是符合C++标准的。在我的VC7.0上,以下代码均通过编译并正常工作。
初级类型分类
is_array (boost/type_traits/is_array.hpp)
定义
// 缺省
template<typename T>
struct is_array
{
static const bool value=false;
};
// 偏特化
template<typename T,size_t N>
struct is_array<T[N]>
{
static const bool value=true;
};
注解
C++标准允许整型常量表达式作为模板参数,上面的N就是这样。这也说明出现在模板偏特化版本中的模板参数(在本例中为typename T,size_t N两个)个数不一定要跟缺省的(本例中为typename T一个)相同,但出现在类名称后面的参数个数却要跟缺省的个数相同(is_array<T[N]>,T[N]为一个参数,与缺省的个数相同)。
使用
is_array<int [10]>::value // true(T=int,N=10)
is_array<int>::value // false(T=int)
is_class(.../is_class.hpp)
定义
// 底层实现,原因是根据不同的编译环境可能有不同的底层实现,我的编译环境为VC7.0,其他底层实现从略。
template <typename T>
struct is_class_impl
{
template <class U>
static ...::yes_type is_class_tester(void(U::*)(void));
template <class U> static ...::no_type is_class_tester(...);
// ice_and是一个元函数,提供逻辑与(AND)操作
border-right: medium none; padding-right: 0cm; border-top: medium none; padding-left: 0cm; background: #e6e6e6; padding-bottom: 0cm; margin: 0cm 0cm 0pt; border-left: medium none; text-indent: 24
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