条款47：请使用traits classes表现类型信息

1.前言

STL主要由“用以表现容器，迭代器和算法”的template构成，但也覆盖若干工具性templates，其中一个名为advance，用来将某个迭代器移动某个给定距离：

tempalte<typename IterT,typename DistT>//将迭代器向前移动d单位
void advance(IterT& iter,DistT d);//如果d<0，则向后移动

观念上advance只是做iter+=d动作，但其实不可以全然是那样，因为只有random access(随机访问)迭代器才支持+=操作。面对其它迭代器种类，advance必须反复施行++或--，共d次。

先回顾下STL迭代器的分类：STL共有5种迭代器分类，inpiut迭代器只能向前移动，一次一步，客户可只读取它们所指的变量，而且只读取一次，他们模仿指向输入文件的阅读指针(read pointer)；c++程序库中的istream_iterators是这一分类的代表。output迭代器情况类似，但一切只为输出：它们只向前移动，一次一步，客户只涂写一次。它们模仿指向输出文件的涂写指针（write pointer）；ostream_iterators是这一分类的代表。这是功能最小的两个迭代器分类。由于这；两类都只能向前移动，而且只能读或写其所指物最多一次，所以它们只适合“一次性操作”（one-pass algorithms）。另一个功能比较强大的分类是forward迭代器。这种迭代器可以做前述两种分类所能做的每一件事，而且可以读或写其所指物一次以上。这使得它们可以施行于多次性操作算法(multi-pass algorithms)。STL并未提供单向linked list,但某些程序库有slit,而置入这种容器的迭代器就是属于forward迭代器。指入TR1 hashed容器的也可能是这一分类。

Bidirectional迭代器比上一个功能更大：它除了可以向前移动，还可以向后移动。STL的list迭代器就属于这一类，set,multiset,map和multimap的迭代器也都是这一分类。

最强大的迭代器当属random access迭代器。这种迭代器功能强大之处再与它可以执行“迭代器算术”，即可以在常量时间内向前或向后跳跃任意距离。

对这5种分类，c++标准程序库分别提供专属的卷标结构（tag struct）加以确认：

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 biairectional_iterator_tag{};

这些struct之间的继承关系是有效的is-a。

现在回到advance函数，我们知道STL迭代器有着不同的能力，实现advance的策略之一是采用“最低但最普及”的迭代能力，以循环往复递增或递减迭代器。然而这种做法耗费线性时间，我们知道random access迭代器支持迭代器算术运算，只耗费常量时间，如果面对这种迭代器，我们希望运用其优势：

然而我们真正希望的是以这种方式实现advance：

template<typename IterT,typename DistT>
void advance(IterT& iter,DistT d)
{if(iterT& iter,DistT d){if(iter is a random access iterator){iter+=d;//针对random access迭代器使用迭代器算术运算}else{if(d>=0){while(d--) ++iter;}else{if(d>=0){while(d--) ++iter;}else {while(d++) --iter;}//针对其它迭代器分类，反复调用++或--}}}}

这种做法首先是必须判断iter是否未random access迭代器，也就是说需要知道类型IterT是否为random access迭代器。换句话说我们需要取得类型的某些信息。那就是traits让你得以进行的事情：它们允许你在编译期间取得某些类型信息。。

2.实例分析

traits并不是c++关键自或一个预先定义好的构件；他们是一种技术，也是一个c++程序员共同遵守的协议。这个技术的要求之一是他对内置(built-in)类型或用户自定义类型的表现必须一样好。举个例子，如果上述advance仍然必须有效运作，那意味这traits技术必须i能够施行于内置类型如指针上。

”traits必须能够施行于内置类型“意味”类型内的嵌套信息（nesting information）“这种东西必须出局了，因为我们无法将信息嵌套于原始指针内。因此类型的traits信息必须位于类型自身之外。标准技术时把它放进一个template及其一个被命名为iterator_traits:

template<typename iterT>//template，用来处理
struct iterator_traits;//迭代器分类的相关信息

正如所看到的，iterattor_traits是个struct。习惯上traits总是被实现为structs,但它们又往往被称为traits classes。

iterator_traits的运作方式是针对每一个类型IterT,针对每一个类型IterT,在struct iterator_traits<IterT>内一定声明某个typedef名为iiterator_category，这个typedef用来确认IterT的迭代器分类。

iterator_traits以两个部分实现上述所言。首先它要求每一个“用户自定义的迭代器类型”必须嵌套一个typedef，名为iterator_category，用来确认适当的卷标结构。例如deque的迭代器可随机访问，所以一个针对deque迭代器而设计的class看起来会是这个样子：

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

list的迭代器可双向行进，所以它们应该是这样的：

template<...>
class list{public:class iterator{public:typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;....};....
};

至于iterator_traits，只是相应iterator class的嵌套式typedef:

//类型IterT的iterator_category其实是用来表现“IterT说它自己是什么”
//关于“typedef typename”的运用，见条款42
template<typename IterT>
struct iterator_traits{typedef typename IterT::iterator_category iterator_category;...
};

这对用户自定义类型行得通，但对指针（也是一种迭代器）行不通，因为指针不可能嵌套tepedef。iterator_traits的第二部分如下，专门用来对付指针：

为了支持指针迭代器，iterator_traits特别针对指针类型提供一个偏特化版本（partial template specialization）。由于指针的行径与random access迭代器类似，所以iterator_traits为指针指定的迭代器类型是：

template<typename IterT>//template偏特化
struct iterator_traits<IterT*>//针对内置指针
{typedef random_access_iterator_tag  iterator_category;....
};

现在，我们应该了解了如何设计并实现一个traits class了：

（1）确认若干你希望可取的的类型相关信息。例如对迭代器而言，我们希望将来可取其分类（category）;

(2)为该信息选择一个名称（比如iterator_category）

(3)提供一个template和一组特化版本，内含你希望支持的类型相关信息。

现在有了iterator_traits（实际上是std::iterator_traits，因为它是c++标准程序的一部分），我们可以对advance实践先前的伪码（pseudocode）:

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))....
}

虽然这看起来前景光明，但并不是我们想要的。首先会导致编译问题。IterT类型在编译器间获知，所以iterator_traits<IterT>::iterator_category也可以在编译器间确定。但if语句却是在运行期才会核定。

我们真正想要的是一个条件式，判断“编译器核定成功”之类型。恰巧c++有一个取得这种行为的办法，那就是重载(overloading)。

当我们重载某个函数f，必须详细描述各个重载建房的参数类型。当你调用f，编译器便根据传来的实参选择最适合的重载件。编译器的态度是“如果这个重载件最匹配传递过来的实参，就调用这个f；如果那个重载件最匹配，就调用那个f；如果第三个f最匹配，就调用第三个f”。依次类推。这正是一个针对类型而发生的“编译器条件句”。为了让advance的行为如我们所期望的那样，我们需要做的是产生两版重载函数，内含advance的本质内容，但各自接受不同类型的iterator_category对象。我将这两个函数取名为doAdvance:

template<typename IterT,typename DistT>//用于random access 迭代器
void doAdvance(IterT& iter,typename Dist,std::random_access_iterator_tag)
{iter+=d;
}template<typename IterT,typename DistT，std::bidirectional_iterator_tag>//这份
{                                   //实现用于bidirectional迭代器if(d>=0){while(d--)++iter;}else{while(d++) --iter;}}
template<typename IterT,typename DistT>//这份用于实现input迭代器
void doAdvance(IterT& iter,DistT d,std::input_iterator_tag)
{if(d<0){throw std::out_of_range("Negative distance");}while(d--) ++iter;
}

由于forward_iterator继承自input_iterator_tag，所以上述doAdvance的input_iterator_tag版本也能够处理forward迭代器。这是iterator_tag structs继承关系带来的一项红利。实际上这也是public继承带来的部分好处：针对base class编写的代码用于derived class身上行得通。

advance函数规范说，如果面对的是random access和bidirectional迭代器，则接受正距离和负距离；但如果面对的是forward或input迭代器，则移动负距离会导致不明确（未定义）行为。我所检验过的实现码都假设d不为负，于是直接进入一个冗长的循环迭代，等待计数器降为0。上述异常我以抛出异常取而代之。

有了这些doAdvance重载版本，advance需要做的是调用它们并额外传递一个对象，后者必须带有适当的迭代器分类。于是编译器运用重载解析机制（overloading resolution）调用适当的实现代码：

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

现在我们可以总结如何使用一个traits class了：

（1）建立一组重载函数或函数模板，，彼此间的差异只在于各自的traits参数。令每个函数实现码与其接受之traits信息相应和。

（2）建立一个控制函数或函数模板，它调用上述那些劳工函数并传递traits class所提供的信息。

traits广泛用于标准程序库，其中当然有上述讨论的iterator_traits，除了供应iterator_category还供应另四分迭代器相关信息。此外还有char_traits用来保存字符类型相关信息，以及numeric_limits用来保存数值类型的相关信息，例如某些数值类型可表现之最小值和最大值等等；命名为numeric_limits有点让人惊讶，因为traits classes的名称以"traits"结束，但numeric_limits却没有遵守这种风格。

3.总结

（1）Traits classes使得“类型相关信息”在编译器可用。它们以template和“templates特化”完成实现。

（2）整合重载技术后，traits classes有可能在编译器对类型执行if...else 测试。