STL中实现 iterator trail 的编程技巧

《泛型编程和 STL》笔记及思考。

这篇文章主要记录在 STL 中迭代器设计过程中出现的编程技巧，围绕的 STL 主题为 （迭代器特征） Iterator traits 和 相关类型（Associated Types）。

首先介绍 Associated Types

Associated Types

我们知道，Iterator 是一种泛化的指针，我们有时会这样理解它：

指针（广义的）指向某个序列的一个 item，而每个 item 的类型就是我们想要的 Associated Types。

对于 C 中的指针来说，*ptr 就是他的相关类型。

对于我们之前定义的外覆类（C++ 泛型算法 find 那篇）来说，*int_node （即 Node）是他的相关类型。

现在我们有个问题，我们如何使用这个类型？假设有一个 Iterator type P，P 的相关类型为 value_type。我们想要在一些算法中使用这个类型声明一些临时变量（这很常见，比如在计算数值的算法内），然而 ”P 的 value_type “ 并没有告诉我们 C++ 如何表达这样的概念。比如在之前的外覆类中，我们可以通过外覆类的接口获得他的相关类型的具体引用，但是却没办法使用这个类型信息用于外覆类之外的变量的声明。

技巧一 ：使用 C++ 的类型推断机制

假设有个泛型函数 f() ，需要一个类型为 P 的参数，而且还需要声明一个类型为 P 的 value_type 的临时变量。我们可以令 f() 成为一个单纯的传递函数，并将所有工作委托给内部函数 f_impl():

template <class P,class T>
void f_impl(P iter,T t) {
    T tmp;
    ...
}

template <class T> inline void f(T iter) {
    f_impl(iter,*iter);
}

于是，我们可以在函数 f_impl 之中，声明一个类型为 T 也即 P 的 value_type 类型的临时变量。template 参数的 “type inference” 机制是自动自发的，所以在 f_impl 之中，template 的参数 T 和 *iter 是同义的。

这个技巧的确能够解决我们之前提出的问题，但是，他却解决不了另一个问题，这个方案无法用来声明函数的返回类型。通过类型推导得到的 Associated Type 信息是在 f() 方法内获得的，我们无法将这个 Associated Type 用于函数的返回值。所以我们来看一下技巧二。

技巧二 : 嵌套声明

这种方法的核心思想是在每个迭代器类中将具体的 Associated Type 统一定义为一个新的名为value_type（又一次的隐藏了差异性）的类型。

用上一篇定义的外覆类 int_node 为例，为它增加一个新的类型 value_type:

template <class Node>           //Node 是类型参数，可能用 T 更好理解
struct node_wrap {
    typedef Node value_type;
    Node *ptr;
    ...
};

这样的话，只要我们知道这个迭代器的类名，便可以访问他的 Associated Type 。并且，在每个定义了 value_type 的迭代器都可以换通过相同的方法访问。

对于声明一个 node_wrap 的 Associated Type 类型的变量，我们可以这样：

typename node_wrap :: value_type tmp;

以这种方式来对变量命名。（typename 是为了向编译器指出这是类型名而不是成员方法名或其他）

声明函数的返回类型：

typename node_wrap:: value_type f(...) {
  ...
}

这样做相当于我们再次将差异性隐藏，向外提供了一个统一的接口。

看起来这种方式解决了我们的问题。但是我们忽略了一些情况。上述成立的前提是迭代器是一个类，所以我们可以在它们内部增加一个新的类型，并从外部访问它。但是 C 中的指针也是一个迭代器，而且我们一直是在以 C 指针的行为来指导迭代器的行为。显然我们无法为 C 指针提供这种操作。为了解决这个问题，为指针也提供合适的操作，我们再次提出了新的方案。

技巧三 : 增加中间层和模板偏特化

我们可以增加一个中间层来解决这个问题。具体的做法是定义一个辅助用的 class，iterator_traits:

template <class Iterator>
struct iterator_traits {
    typedef typename Iterator::value_type value_type;
};

这么一来我们就可以以这样的写法来取用 Iterator 的 value_type（以声明变量为例）：

typename iterator_traits<node_wrap>::value_type tmp;

这看起来没有任何改进，因为 Iterator_traits 仍然假设它的 template 参数 Iterator 有一个嵌套类型。（指针仍然没有）

不过，现在我们可以使用另一种技术来解决这个问题了。我们将利用 “对某种 template 参数提供另一种定义” 的方法，将 Iterator_traits class 特化。

C++ 中允许 template 的全特化（亦即为某型别如 int* 提供另一种定义）和偏特化（亦即提供另一个定义，其自身仍为模板化的。具体可参考 《C++ primer》）。在这个例子中，我们需要针对每一种指针类型做出另一种定义，因此我们需要偏特化：

template <class T>
struct iterator_traits<T*> {
    typedef T value_type;    
};

现在，当我们面对普通的指针时，也可以像对待迭代器一样，使用相同的方法来取用它的 Associated Type。

主要的问题已经解决了，但是还有一个细节问题需要提出来讨论一下：constant iterator 的 value_type 是什么？考虑如下例子：

iterator_traits<const int*>::value_type

根据我们之前定义的 Iterator_traits value_type 将会是 const int 而非 int。我们已经针对 T* 的参数将 iterator_traits 特化，但当 T 是 const int 时，const int * 会符合 T* ，这不是我们期待的结果。

我们只需要另外设计一个版本的偏特化，就能轻而易举的解决这个问题：

template<class T>
struct iterator_traits<cosnt T*> {
    typedef T value_type;
};

现在我们有了三种不同的 itertaor_traits 版本。一个是针对类型为 T 的参数，一个是 T * ,另一个是 const T * 的参数。当你写下 iterator_traits<const int*> 时，原则上他符合任何一个版本，不会有歧义的情况发生。因为 C++ 编译器总能选出最能明确匹配的版本。

直到到现在，我们有了某种机制，让我们得以使用某个 iterator 的 value_type 来撰写算法。

举个例子，以下的泛型函数用来计算 nonempty range 内的数值总和：

template <class InputIterator>
typename iterator_traits<InputIterator>::value_type
sum_nonempty(InputIterator first,InputIterator last) {
    typename iterator_traits<InputIterator>::value_type result = *first;
    for (;first != last; ++first)
        result += *first;
    return result;
}

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