STL源码剖析迭代器iterator的概念和 traits编程技法

iterator模式定义如下：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.
STL的中心思想在于：将数据容器(containers)和算法(algorithms)分开，彼此独立设计，最后再以一帖胶着剂将它们撮合在一起。容器和算法的泛型化，从技术角度来看并不困难，C ++的class templates和 function templates可分别达成目标。如何设计出两者之间的良好胶着剂，才是大难题。

迭代器 (iterator ) 是一种 smart pointer

迭代器是一种行为类似指针的对象,而指针的各种行为中最常见也最重要的便是内容提领〈dereference)和成员访问(member access) , 因此，迭代器最重要的编程工作就是对 operator* 和 operator-> 进行重载(overloading) 工作。关于这一点，C++标准程序库有一个auto_ptr可供我们参考任何一本详尽的C++ 语法书籍都应该谈到auto_ptr 这是一个用来包装原生指针 (native pointer)的对象，声名狼藉的内存漏洞(memory leak)问题可藉此获得解决. auto_ptr用法如下，和原生指针一模一样：

函数第一行的意思是，以算式new动态配置一个初值为"jjhou” 的 string 对象，并将所得结果(一个原生指针)作为aUtoj>tr<Strin g > 对象的初值。注意, auto_ptr角括号内放的是“原生指针所指对象”的型别，而不是原生指针的型别.

迭代器相应型别 ( associated types )

我们以func ()为对外接口，却把实际操作全部置于func_impl()之中.由于 func_impl ()是一个function template,—旦被调用，编译器会自动进行template参数推导。于是导出型别T,顺利解决了问题。
迭代器相应型别(associatedtypes)不只是 “迭代器所指对象的型别”〜种而已。根据经验，最常用的相应型别有五种，然而并非任何情况下任何一种都可利用上述的template参数推导机制来取得.我们需要更全面的解法。

Traits编程技法— STL源代码门钥

迭代器所指对象的型别，称为该迭代器的value iy p e .上述的参数型别推导技巧虽然可用于value ty p e ,却非全面可用：万一 value typ e 必须用于函数的传回值，就束手无策了，毕竟函数的*"template参数推导机制”推而导之的只是参数，无法推导函数的回返值型别。
我们需要其它方法。声明内嵌型别似乎是个好主意，像这样：

注意，func ( ) 的回返型别必须加上关键词typename , 因为 T 是一个 template参数，在它被编译器具现化之前，编译器对T 一无所悉，换句话说，编译器此时并不知道MyIter<T>: : value_type代表的是一个型别或是一个member function或是一个data m e m b e r . 关键词 typename的用意在于告诉编译器这是一个型别，如此才能顺利通过编译。

大致的意义是：如果 class template拥有一个以上的 template参数，我们可以针对其中某个(或数个，但非全部)template参数进行特化工作。换句话说，我们可以在泛化设计中提供一个特化版本（也就是将泛化版本中的某些template参数赋予明确的指定）。

多了一层间接性，先前使用一个T，现在使用了两个T
但这除了多一层间接性，又带来什么好处呢？好处是traits可以拥有特化版本。现在，我们令 iterator_traites 拥有一个 partial specializations 如下

于是，原生指针i n t * 虽然不是一种class type,亦可通过traits取其 value type。这就解决了先前的问题。
但是请注意，针对 “指向常数对象的指针(pointeEo-snst) ”，下面这个式子得到什么结果
iterator_traits<const int*>::value_type
获得的是const i n t 而非i n t . 这是我们期望的吗？我们希望利用这种机制来声明一个暂时变量，使其型别与迭代器的value type相同，而现在，声明一个无法赋值 (因 c o n s t 之故)的暂时变量，没什么用！因此，如果迭代器是个pointer-to-const,我们应该设法令其value t y p e 为一个non-const型别。没问题，只要另外设计一个特化版本，就能解决这个问题：

现在，不论面对的是迭代器My I t e r , 或是原生指针i n t * 或 const int*,都可以通过traits取出正确的(我们所期望的)value type。
特性萃取机”角色，萃取各个迭代器的特性。这里所谓的迭代器特性，指的是迭代器的相应型别(associated types)。当然，若要这个 “特性萃取机” traits能够有效运作，每一个迭代器必须遵循约定，自行以内嵌型别定义(nested typedef)的方式定义出相应型别(associated types) 。这是一个约定，谁不遵守这个约定，谁就不能兼容于S T L 这个大家庭。

根据经验，最常用到的迭代器相应型别有五种：value 1ype, difference iype, pointer, reference, iterator catagoly。如果你希望你所开发的容器能与STL水乳交融，一定要为你的容器的迭代器定义这五种相应型别。 “特性萃取机” traits会很 •实地将原汁原味榨取出来：

3.4.2 迭代器相应型别之二：difference type

difference type用来表示两个迭代器之间的距离，因此它也可以用来表示一个容器的最大容量，因为对于连续空间的容器而言，头尾之间的距离就是其最大容量.
如果一个泛型算法提供计数功能，例如STL的 count(), 其传回值就必须使用迭代器的 difference type：

针对相应型别difference type, traits的如下两个(针对原生指针而写的)特化版本，以 C++内建的ptrdiff_t (定义于<cstddef>头文件)作为原生指针的 difference type：
ptrdiff_t是C/C++标准库中定义的一个与机器相关的数据类型。ptrdiff_t类型变量通常用来保存两个指针减法操作的结果

3.4.3 迭代器相应型别之三：reference type

从 “迭代器所指之物的内容是否允许改变”的角度观之，迭代器分为两种：不允许改变 “所指对象之内容”者，称为constant iterators,例如 const int*pic；允许改变"所指对象之内容”者，称为 mutable iterators, 例如 int* pio当我们对一个 mutable iterators进行提领操作时，获得的不应该是一个右值(rvalue), 应该是一个左值(lvalue), 因为右值不允许赋值操作(assignm ent), 左值才允许：

在 C ++中，函数如果要传回左值，都是以by reference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, 应该是T&
将此道理扩充，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&。这里所讨论的* p 的型别，即所谓的reference type

迭代器相应型别之四：pointer type

pointers和 references在 C + + 中有非常密切的关联。如果 “传回一个左值, 令它代表P 所指之物”是可能的，那么 “传回一个左值，令它代表P 所指之物的地址”也一定可以。也就是说，我们能够传回一个pointer,指向迭代器所指之物。

item& 便是 Listlier 的 reference type ,而 item * 便是其 pointer type

迭代器相应型别之五：iterator_category

最后一个（第五个）迭代器的相应型别会引发较大规模的写代码工程。在那之前，我必须先讨论迭代器的分类
根据移动特性与施行操作，迭代器被分为五类：

尽量针对图3・ 2中的某种迭代器提供一个明确定义，并针对更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。在研究STL的过程中，每一分每一秒我们都要谨记在心，效率是个重要课题。假设有个算法可接受Forward Iterator,你以 Random Access Iterator喂给它, 它当然也会接受，因为一个Random Access Iterator必然是一个Forward Iterator（见图3-2）。但是可用并不代表最佳！

以 advanced。为例

拿 advance （）来说（这是许多算法内部常用的一个函数），该函数有两个参数，迭代器P 和数值n;函数内部将p 累进n 次（前进n 距离）。下面有三份定义，一份针对 Input Iterator, 一份针对 Bidirectional Iterator,另一份针对 Random Access Iteratoro倒是没有针对Foiv/ardlterator而设计的版本，因为那和针对 Inputiterator而设计的版本完全~致。
设计考虑如下：如果 traits有能力萃取出迭代器的种类，我们便可利用这个 “迭代器类型”相应型别作为advanced 0 的第三参数。这个相应型别一定必须是一个class type,不能只是数值号码类的东西，因为编译器需仰赖它(一个型别)来进行重载决议(overloaded resolution) o 下面定义五个classes,代表五种迭代器类型：

这些 classes只作为标记用，所以不需要任何成员。至于为什么运用继承机制，稍后再解释。现在重新设计— advance。 (由于只在内部使用，所以函数名称加上特定的前导符)，并加上第三参数，使它们形成重载：

注意上述语法，每个— advanced 的最后一个参数都只声明型别，并未指定参数名称，因为它纯粹只是用来激活重载机制，函数之中根本不使用该参数。如果硬要加上参数名称也可以，画蛇添足罢了。
行进至此，还需要一个对外开放的上层控制接口，调用上述各个重载的_advance()。这一上层接口只需两个参数，当它准备将工作转给上述的 _advance ()时，才自行加上第三参数：迭代器类型。因此，这个上层函数必须有能力从它所获得的迭代器中推导出其类型—— 这份工作自然是交给traits机制：

任何一个迭代器，其类型永远应该落在“该迭代器所隶属之各种类型中，最强化的那个”。例如,int* 既是 Random Access Iterator，又是 Bidirectional Iterator, 同时也是Forward Iterator,而且也是Input Iterator,那么，其类型应该归属为 random_access_iterator_tag
按说 advanced()既然可以接受各种类型的迭代器，就不应将其型别参数命名为Inputiterator。这其实是STL算法的一个命名规则：以算法所能接受之最低阶迭代器类型，来为其迭代器型别参数命名。
消除 "单纯传递调用的函数
以 class来定义迭代器的各种分类标签，不仅可以促成重载机制的成功运作 (使编译器得以正确执行重载决议，overloaded resolution), 另一个好处是，通过继承，我们可以不必再写 “单纯只做传递调用”的函数(例如前述的 advance() Forwarditerator版 ) 。为什么能够如此？考虑下面这个小例子，从其输出结果可以看出端倪：

以 d is ta n c e ()为例

关于 “迭代器类型标签”的应用，以下再举一例。distance ()也是常用的一个迭代器操作函数，用来计算两个迭代器之间的距离。针对不同的迭代器类型，它可以有不同的计算方式，带来不同的效率。整个设计模式和前述的advance ()如出一辙：

distance使用 category动态适配 InputIterator和randomAccessiterator，分别调用与之匹配的__distance函数，但是这个 distance使用的时候 <> 需要指定最小的迭代器类型，来为迭代器进行命名

注意,distanced可接受任何类型的迭代器；其 template型别参数之所以命名为 Inputiterator,是为了遵循STL算法的命名规则：以算法所能接受之最初级类型来为其迭代器型别参数命名.此外也请注意，由于迭代器类型之间存在着继承关系， “传递调用(forwarding) ”的行为模式因此自然存在一一点我已在前一节讨论过。换句话说，当客端调用distanced并使用Output Iterators或Forward Iterators 或 BidirectionaI Iterators 时，统统都会传递调用 Input Iterator 版
的那个_ distance ( ) 函数。

std::iterator 的保证

了符合规范，任何迭代器都应该提供五个内嵌相应型别，以利于traits萃取，否则便是自别于整个STL架构，可能无法与其它STL组件顺利搭配。然而写代码难免挂一漏万，谁也不能保证不会有粗心大意的时候。如果能够将事情简化，就好多了。STL提供了一个iterators class如下，如果每个新设计的迭代器都继承自它，就可保证符合STL所需之规范：

设计适当的相应型别(associated types) , 是迭代器的责任。设计适当的迭代器，则是容器的责任.唯容器本身，才知道该设计出怎样的迭代器来遍历自己，并执行迭代器该有的各种行为(前进、后退、取值、取用成员…) 。至于算法，完全可以独立于容器和迭代器之外自行发展，只要设计时以迭代器为对外接口就行。

ite ra to r源代码完整重列

SGI STL<stl_iterator.h>头文件内与本章相关的程序代码。该头文件还有其它内容，是关于 iostream iterators, inserter iterators 以及 reverse iterators 的实现，将于第8 章讨论。

我并不是很懂为啥要再包装一层

SGI STL 的私房菜：__type_traits

traits编程技法很棒，适度弥补了 C++语言本身的不足。STL只对迭代器加以规范，制定出itera to r_ tra its这样的东西。SG I把这种技法进一步扩大到迭代器以外的世界，于是有了所谓的_ type_tra-itso 双底线前缀词意指这是SGI STL内部所用的东西，不在STL标准规范之内
iterator_ traits负责萃取迭代器的特性，—type_ traits则负责萃取型别(type)的特性
此处我们所关注的型别特性是指：这个型别是否具备non-trivial defaltctor ? 是否具备 non-trivial copy ctor ? 是否具备 non-trivial assignment operator?是否具备non-trivial dtor?如果答案是否定的，我们在对这个型别进行构造、析构、拷贝、赋值等操作时，就可以采用最有效率的措施(例如根本不调用身居高位，不谋实事的那些constructor, destructor), 而采用内存直接处理操作如 malloc. memcpy等等，获得最高效率。这对于大规模而操作频繁的容器, 有着显著的效率提升4。

我们希望上述式子响应我们“真”或 “假”(以便我们决定采取什么策略)，但其结果不应该只是个bool值，应该是个有着真/假性质的“对象”，因为我们希望利用其响应结果来进行参数推导，而编译器只有面对Class object形式的参数, 才会做参数推导。为此，上述式子应该传回这样的东西：

为了达成上述五个式子，— type_traits内必须定义一些typedefs,其值不是 _ true_type 就是 _ false_type下面是 SGI 的做法：

POD

例子

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