STL -萃取特性迭代器

1. STL简单概述

a. STL六大组成部分

1. 容器（Container）
2. 空间配置器（allocator）
3. 算法（Algorithm）
4. 迭代器（Iterator）
5. 仿函数（Function object）
6. 适配器（Adaptor）

b. STL六大组件内在联系

• 空间分配器为容器分配内存空间。

  注意：无论是为什么类型分配内存，分配器都 只是分配内存，而不执行构造函数

• 算法 只关心具体的做法，而不关心是什么 容器 。所以需要 迭代器 作为 容器 与 算法 的桥梁，将两者连接起来。

• 算法 中会常常搭配 仿函数 来更好的完成其工作

• 适配器 将一个class 的接口转换为另一个 class 的接口，使原本因接口不兼容而不能合作的 class，可以一起运作。

• 容器 所使用的 迭代器，其相当一部分操作是在 容器 内实现的。

2. 组件部分详细信息

a. 内存配置器

• 容器使用配置器来进行内存空间的分配、释放，其相关头文件为stl_alloc.h等。

  空间分配器有如下两种，这两种分配方式各有各的好坏。

  1. 第一级分配器__malloc_alloc_template，即时分配即时释放，
  2. 第二级分配器__default_alloc_template，小型内存池。

• 容器中通过调用配置器的静态函数来 分配、释放 内存，而配置器则在底层调用malloc和free来满足用户需求。

b. 迭代器

• 迭代器的本质就是"指针"，只不过这个指针有点特别，它比较智能。

• 算法通过迭代器来对容器进行操作，使算法不必了解容器本身的结构。

• 迭代器探幽

  • 迭代器的相关实现 (源码位于stl_iterator.h和stl_iterator_base.h)

    COPYtemplate <class _Category, class _Tp, class _Distance = ptrdiff_t,class _Pointer = _Tp *, class _Reference = _Tp &>struct iterator {typedef _Category  iterator_category;   // 迭代器的种类typedef _Tp        value_type;          // 迭代器所指对象的类型typedef _Distance  difference_type;     // 两两迭代器之间，距离的类型typedef _Pointer   pointer;             // 迭代器所指对象的指针typedef _Reference reference;           // 迭代器所指对象的引用
    };
    

  • 迭代器又细分为以下几种类型

    COPY// 迭代器的tag。对应类型的迭代器中，其iterator_category就是对应的tag
    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 {};// 输入迭代器
    template <class _Tp, class _Distance> struct input_iterator {typedef input_iterator_tag iterator_category;typedef _Tp                value_type;typedef _Distance          difference_type;typedef _Tp* pointer;typedef _Tp& reference;
    };
    // 输出迭代器
    struct output_iterator {typedef output_iterator_tag iterator_category;typedef void                value_type;typedef void                difference_type;typedef void                pointer;typedef void                reference;
    };
    // 正向迭代器
    template <class _Tp, class _Distance> struct forward_iterator {typedef forward_iterator_tag iterator_category;typedef _Tp                  value_type;typedef _Distance            difference_type;typedef _Tp* pointer;typedef _Tp& reference;
    };// 双向迭代器
    template <class _Tp, class _Distance> struct bidirectional_iterator {typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;typedef _Tp                        value_type;typedef _Distance                  difference_type;typedef _Tp* pointer;typedef _Tp& reference;
    };
    // 随机访问迭代器
    template <class _Tp, class _Distance> struct random_access_iterator {typedef random_access_iterator_tag iterator_category;typedef _Tp                        value_type;typedef _Distance                  difference_type;typedef _Tp* pointer;typedef _Tp& reference;
    };
    

  • 迭代器中的iterator_category和value_type等等，它们只是类型名。那么迭代器是如何将这些信息返回给调用者呢？
    实际上，SGI STL灵活的使用了模板参数推导的特性来完成这些任务，例如如下代码

    COPY// iterator_category
    template <class _Tp, class _Distance>
    inline input_iterator_tag
    iterator_category(const input_iterator<_Tp, _Distance>&)
    {return input_iterator_tag();
    }inline output_iterator_tag iterator_category(const output_iterator&)
    {return output_iterator_tag();
    }
    #define __ITERATOR_CATEGORY(__i) iterator_category(__i)
    // value_type
    template <class _Tp, class _Distance>
    inline _Tp* value_type(const bidirectional_iterator<_Tp, _Distance>&)
    {return (_Tp*)(0);
    }template <class _Tp, class _Distance>
    inline _Tp* value_type(const random_access_iterator<_Tp, _Distance>&)
    {return (_Tp*)(0);
    }
    #define __VALUE_TYPE(__i)        value_type(__i)
    

    当不同类型的指针使用宏定义__VALUE_TYPE时，由于模板参数推导的特点，程序会调用参数类型相匹配的函数。既然参数类型匹配，那么返回的也一定是匹配的类型。

  • Traits技术（重中之重）

    1. iterator_traits
       

       • iterator_traits 技术用于萃取出iterator的对应类型，例如value_type、iterator_category等等。
         iterator本身便可以使用对应宏定义(例如__VALUE_TYPE)来取出对应类型。但原生指针并没有这些方法，所以需要套一层iterator_traits，让iterator_traits“帮助”原生指针，将所需的相关信息返回给调用者。

       • iterator_traits相关源码

         COPYtemplate <class _Iterator>
         struct iterator_traits {
         typedef typename _Iterator::iterator_category iterator_category;
         typedef typename _Iterator::value_type        value_type;
         typedef typename _Iterator::difference_type   difference_type;
         typedef typename _Iterator::pointer           pointer;
         typedef typename _Iterator::reference         reference;
         };template <class _Tp>
         struct iterator_traits<_Tp*> {
         typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
         typedef _Tp                         value_type;
         typedef ptrdiff_t                   difference_type;
         typedef _Tp*                        pointer;
         typedef _Tp&                        reference;
         };
         

         可以看到，iterator_traits对待iterator和原生指针的方式，是不一样的。

    2. type_traits
       

       • iterator_traits技术只能用来规范迭代器，对于迭代器之外的东西没有加以规范。所以type_traits就应运而生。

       • iterator_traits是萃取迭代器的特性，而__type_traits是萃取型别的特性。
         __type_traits有如下几个类型

         1. has_trivial_default_constructor —— 是否使用默认构造函数
         2. has_trivial_copy_constructor —— 是否使用默认拷贝构造函数
         3. has_trivial_assignment_operator —— 是否使用默认赋值运算符
         4. has_trivial_destructor —— 是否使用默认析构函数
         5. is_POD_type —— 是否是POD类型
            返回的是__true_type或__false_type结构

       • 其相关源码如下

         COPYstruct __true_type {};
         struct __false_type {};template <class _Tp>
         struct __type_traits {typedef __true_type     this_dummy_member_must_be_first;/* Do not remove this member. It informs a compiler whichautomatically specializes __type_traits that this__type_traits template is special. It just makes sure thatthings work if an implementation is using a templatecalled __type_traits for something unrelated. *//* The following restrictions should be observed for the sake ofcompilers which automatically produce type specific specializationsof this class:- You may reorder the members below if you wish- You may remove any of the members below if you wish- You must not rename members without making the correspondingname change in the compiler- Members you add will be treated like regular members unlessyou add the appropriate support in the compiler. */typedef __false_type    has_trivial_default_constructor;typedef __false_type    has_trivial_copy_constructor;typedef __false_type    has_trivial_assignment_operator;typedef __false_type    has_trivial_destructor;typedef __false_type    is_POD_type;
         };__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<int> {typedef __true_type    has_trivial_default_constructor;typedef __true_type    has_trivial_copy_constructor;typedef __true_type    has_trivial_assignment_operator;typedef __true_type    has_trivial_destructor;typedef __true_type    is_POD_type;
         };
         

  • 应用

    • 为什么迭代器要分这么多的类型呢？原因是为了实现STL速度与效率的提高。
      根据迭代器的类型，算法可以对该种类的迭代器使用效率最高的操作方式。
      例如，如果对char*类型的iterator执行copy操作，那么copy函数就可以直接使用memcpy来完成操作，而不是遍历复制再构造。如此以提高算法的效率。
      请看如下源码：

      COPYvector<_Tp, _Alloc>::_M_insert_aux(iterator __position, const _Tp& __x)
      {/* ....  */__STL_TRY{// 当vector的成员函数调用 uninitialized_copy 时，程序会根据迭代器类型执行特定的 uninitialized_copy操作__new_finish = uninitialized_copy(_M_start, __position, __new_start);construct(__new_finish, __x);++__new_finish;__new_finish = uninitialized_copy(__position, _M_finish, __new_finish);} __STL_UNWIND((destroy(__new_start, __new_finish),_M_deallocate(__new_start, __len)));/* ....  */
      }// 如果是char*类型的迭代器就直接调用memmove。如果不是，则调用使用迭代器的uninitialized_copy函数
      template <class _InputIter, class _ForwardIter>
      inline _ForwardIter
      uninitialized_copy(_InputIter __first, _InputIter __last,_ForwardIter __result)
      {return __uninitialized_copy(__first, __last, __result,// 注意到这里获取了迭代器所指向对象的类型__VALUE_TYPE(__result));
      }// 如果迭代器是一个指向某个对象的指针，则调用内含_Tp*类型参数的__uninitialized_copy
      template <class _InputIter, class _ForwardIter, class _Tp>
      inline _ForwardIter
      __uninitialized_copy(_InputIter __first, _InputIter __last,_ForwardIter __result, _Tp*)
      {// 注意这里获取了迭代器所指对象的is_POD信息typedef typename __type_traits<_Tp>::is_POD_type _Is_POD;return __uninitialized_copy_aux(__first, __last, __result, _Is_POD());
      }// 如果这个对象类型是POD的，直接copy以提高效率
      template <class _InputIter, class _ForwardIter>`
      inline _ForwardIter
      __uninitialized_copy_aux(_InputIter __first, _InputIter __last,_ForwardIter __result,__true_type)
      {return copy(__first, __last, __result);
      }
      // 否则，只能一个个的遍历并执行构造函数
      template <class _InputIter, class _ForwardIter>
      _ForwardIter
      __uninitialized_copy_aux(_InputIter __first, _InputIter __last,_ForwardIter __result,__false_type)
      {_ForwardIter __cur = __result;__STL_TRY {for ( ; __first != __last; ++__first, ++__cur)_Construct(&*__cur, *__first);return __cur;}__STL_UNWIND(_Destroy(__result, __cur));
      }
      

c. 容器

1. vector
   • vector的本质就是一个空间连续数组。与普通数组不同的是，该数组"可长可短"。
   • vector的核心成员是三个迭代器，分别为
     1. _Tp* _M_start —— 指向所分配数组的起始位置
     2. _Tp* _M_finish —— 指向已使用空间的末端位置+1
     3. _Tp* _M_end_of_storage —— 指向所分配数组的末尾位置+1
2. list
   • list是一个头尾相连的双向环状链表，由一个个节点头尾相连所构成。
   • 其关键的成员只有一个，_List_node<_Tp>* _M_node —— 指向链表的末尾节点，该节点的成员_M_next指向的是链表的起始节点。