Effective C++ 47：使用 Traits 类提供类型信息

09/15 2015

Item 47: Use traits classes for information about types.

C++中的 Traits 类可以在编译期提供类型信息，它是用Traits模板及其特化来实现的。通过方法的重载，可以在编译期对类型进行"if…else"判断。我们通过STL中的一个例子来介绍Traits的实现和使用。这里贴一个 ACCU 提供的更容易理解的例子（英文）：https://accu.org/index.php/journals/442。

本文以 iterator_traits 为例介绍了如何实现traits类，以及如何使用traits类（在Item 42中提到过iterator_traits）。其实 C++ 标准库中还提供了很多其他的 traits，比如 char_traits, numeric_limits 等。

STL提供了很多的容器、迭代器和算法，其中的 advance 便是一个通用的算法，可以让一个迭代器移动n步：

template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT& iter, DistT d);     // 如果d小于0，就逆向移动

STL迭代器回顾

最简单的迭代器是输入迭代器（input iterator）和输出迭代器（output iterator），它们只能向前移动，可以读取/写入它的当前位置，但只能读写一次。比如 ostream_iterator 就是一个输出迭代器。
比它们稍强的是前向迭代器（forward iterator），可以多次读写它的当前位置。单向链表（slist，STL并未提供）和TR1哈希容器的迭代器就属于前向迭代器。
双向迭代器（bidirectional iterator）支持前后移动，支持它的容器包括 set, multiset, map, multimap。
随机访问迭代器（random access iterator）是最强的一类迭代器，可以支持 +=, -= 等移动操作，支持它的容器包括 vector, deque, string 等。

Tag 结构体

对于上述五种迭代器，C++ 提供了五种 Tag 来标识迭代器的类型，它们之间是“is-a”的关系：

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 {};

现在回到 advance 的问题，它的实现方式显然取决于 Iter 的类型：

template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT& iter, DistT d){
  if (iter is a random access iterator) {
    iter += d;                                      // use iterator arithmetic
  }                                                  // for random access iters
  else {
    if (d >= 0) { while (d--) ++iter; }              // use iterative calls to
    else { while (d++) --iter; }                     // ++ or -- for other
  }                                                  // iterator categories
}

怎么得到 Iter 的类型呢？这正是 traits 的作用。

Traits

Traits 不是关键字，也不是 std 类型或模板，它只是 C++ 中的一种编程惯例，允许我们在编译期得到类型的信息。用 Bjarne 的话讲，Traits 是一个用来携带信息的很小的对象（或结构），在其他对象或算法中用这一信息来确定策略或实现细节。

traits的另一个需求在于 advance 对与基本数据类型也能正常工作，比如 char*。所以traits不能借助类来实现，于是我们把traits放到模板中。比如：

template<typename IterT>          // template for information about
struct iterator_traits;           // iterator types

iterator_traits<IterT> 将会标识 IterT 的迭代器类别。iterator_traits 的实现包括两部分：

用户定义类型的迭代器
基本数据类型的指针

用户类型的迭代器

在用户定义的类型中，typedef 该类型支持迭代器的 Tag，例如 deque 支持随机迭代器：

template < ... >                    // template params elided
class deque {
public:
  class iterator {
  public:
    typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
  }:
};

然后在全局的 iterator_traits 模板中 typedef 那个用户类型中的 Tag，以提供全局和统一的类型识别。

template<typename IterT>
struct iterator_traits {
  typedef typename IterT::iterator_category iterator_category;
};

基本数据类型的指针

上述办法对基本数据类型的指针是不起作用的，我们总不能在指针里面 typedef 一个 Tag 吧？其实这时只需要偏特化 iterator_traits，因为内置类型指针都是可以随机访问的：

template<typename IterT>               // partial template specialization
struct iterator_traits<IterT*>{
  typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
};

你已经看到了实现一个traits类的整个过程：

确定你希望提供的类型信息。比如你希望提供 deque 的 iterator 类型；
为那个信息起一个名字。比如 iterator_catetory；
提供一个模板以及必要的特化，来包含你希望提供的类型信息。比如 iterator_traits。

advance 的实现

我们已经用 iterator_traits 提供了迭代器的类型信息，是时候给出 advance 的实现了。

template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT& iter, DistT d) {
  if (typeid(typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category) ==
    typeid(std::random_access_iterator_tag))
  ...
}

上述实现其实并不完美，至少 if 语句中的条件在编译时就已经决定，它的判断却推迟到了运行时（显然是低效的）。在编译时作此判断，需要为不同的 iterator 提供不同的方法，然后在 advance 里调用它们。

template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT& iter, DistT d) {
  doAdvance(                                              // call the version
    iter, d,                                              // of doAdvance
    typename std::iterator_traits<IterT>::iterator_category()
  );                                                     
}                                                       

// 随机访问迭代器
template<typename IterT, typename DistT>
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::random_access_iterator_tag) {
  iter += d;
}

// 双向迭代器
template<typename IterT, typename DistT>
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::bidirectional_iterator_tag) {
  if (d >= 0) { while (d--) ++iter; }
  else { while (d++) --iter; }
}

// 输入迭代器
template<typename IterT, typename DistT>
void doAdvance(IterT& iter, DistT d, std::input_iterator_tag) {
  if (d < 0 ) {
     throw std::out_of_range("Negative distance");    // see below
  }
  while (d--) ++iter;
}

总结一下上面代码是如何使用traits类的：

创建一系列的“worker”函数，拥有不同的 traits 参数。根据 traits 参数来提供相应的实现；
创建一个“master”函数来调用这些“worker”，并将traits类提供的信息传递给“worker”。

本文采用知识共享署名 4.0 国际许可协议（CC-BY 4.0）进行许可，转载注明来源即可： https://harttle.land/2015/09/15/effective-cpp-47.html。如有疏漏、谬误、侵权请通过评论或邮件指出。