本文仅介绍一些技术性较强的traits。由于traits的定义往往重复代码较多,所以必要时本文仅剖析其底层机制。所有源码均摘自相应头文件中,为使源码简洁,所有的宏均已展开。由于traits技巧与编译平台息息相关,某些平台可能不支持模板偏特化。
动机
使用traits的动机一般有三种,分派、效率、使某些代码通过编译。
分派
下面有一个模板函数,假设一个动物收容组织提供了它,他们接受所有无家可归的可怜的小动物,于是他们向外界提供了一个函数接受注册。函数看起来像这样:
template<class T> // T表示接受的是何种动物
void AcceptAnimals(T animal)
{
... //do something
};
但是,如果他们想将猫和狗分开处理(毕竟饲养一只猫和饲养一只狗并不相同。他们可能会为狗买一根链子,而温顺的猫则可能不需要)。一个可行的方法是分别提供两个函数:AcceptDog和AcceptCat,然而这种解决办法并不优雅(想想看,注册者可能既有一只猫又有一只狗,这样他不得不调用不同的函数来注册,而且,如果种类还在增多呢,那样会导致向外提供的接口的增多,注册者因此而不得不记住那些烦琐的名字,而这显然没有只需记住AccpetAnimal这一个名字简单)。如果想保持这个模板函数,并将它作为向外界提供的唯一接口,则我们需要某种方式来获取类型T的特征(trait),并按照不同的特征来采用不同的策略。这里我们有第二个解决办法:
约定所有的动物类(如class Cat,class Dog)都必须在内部typedef一个表明自己身份的类型,作为标识的类型如下:
struct cat_tag{}; //这只是个空类,目的是激发函数重载,后面会解释
struct dog_tag{}; //同上
于是,所有狗类都必须像这样:
class Dog
{
public:
// 类型(身份)标志,表示这是狗类,如果是猫类则为typedef cat_tag type;
typedef dog_tag type;
...
}
然后,动物收容组织可以在内部提供对猫狗分开处理的函数,像这样:
// 第二个参数为无名参数,只是为了激发函数重载
template<class T>
void Accept(T dog,dog_tag)
{...}
template<class T>
void Accpet(T cat,cat_tag) // 同上
{...}
于是先前的Accept函数可以改写如下:
template<class T>
void Accept(T animal) //这是向外界提供的唯一接口
{
// 如果T为狗类,则typename T::type就是dog_tag,那么typename T::type()就是创建了一个dog_tag类的临时对象,根据函数重载的规则,这将调用Accept(T,dog_tag),这正是转向处理狗的策略。如果T为猫类,则typename T::type为cat_tag,由上面的推导,这将调用Accept(T,cat_tag),即转向处理猫的策略,typename 关键字告诉编译器T::type是个类型而不是静态成员。
Accept(animal, typename T::type()); // #1
}
所有类型推导,函数重载,都在编译期完成,你几乎不用耗费任何运行期成本(除了创建dog_tag,cat_tag临时对象的成本,然而经过编译器的优化,这种成本可能也会消失)就拥有了可读性和可维护性高的代码。“但是,等等!”你说:“traits在哪?”,typename T::type其实就是traits,只不过少了一层封装而已,如果像这样作一些改进:
template<typename T>
struct AnimalTraits
{
typedef T::type type;
};
于是,#1处的代码便可以写成:
Accept(animal, typename AnimalTraits<T>::type());
效率
通常为了提高效率,为某种情况采取特殊的措施是必要的,例如STL里面的copy,原型像这样:
// 将[first,last)区间内的元素拷贝到以dest开始的地方
template<typename IterIn,typename IterOut>
IterOut copy(IterIn first,IterIn last,IterOut dest){
// ptr_category用来萃取出迭代器的类别以进行适当程度的优化
return copy_opt(first,last,dest, ptr_category(first,dest));
}
copy_opt有两个版本,其中一个是针对如基本类型的数组作优化的,如果拷贝发生在char数组间,那么根本用不着挨个元素赋值,基于数组在内存中分布的连续性,可以用速度极快的memmove函数来完成。ptr_category有很多重载版本,对可以使用memmove的情况返回一个空类如scalar_ptr的对象以激发函数重载。其原始版本则返回空类non_scalar_ptr的对象。copy_opt的两个版本于是像这样:
// 使用memmove
template<typename IterIn,typename IterOut>
IterOut copy(IterIn first,IterIn last,IterOut dest,
scalar_ptr)
{ ...}
// 按部就班的逐个拷贝
template<typename IterIn,typename IterOut>
IterOut copy(IterIn first,IterIn last,IterOut dest,
non_scalar_ptr)
{ ...}
其实通常为了提高效率,还是需要分派。
使某些代码能通过编译
这或许令人费解,原来不能通过编译的代码,经过traits的作用就能编译了吗?是的,考虑std::pair的代码(为使代码简洁,忽略大部分):
template <typename T1, typename T2>
struct pair
{
T1 first;
T2 second;
// 如果T1或T2本身是引用,则编译错误,因为没有“引用的引用”
pair(const T1 & nfirst, const T2 & nsecond) // #2
:first(nfirst), second(nsecond) { }
};
这里可以使用一个traits(boost库里面的名字为add_reference)来避免这样的错误。这个traits内含一个typedef,如果add_reference<T>的T为引用,则typedef T type;如果不是引用,则typedef T& type;这样#2处的代码便可改成:
pair(add_reference<const T1>::type nfirst,
add_reference<const T2>::type nsecond)
...
这对所有的类型都能通过编译。
boost库中的traits
boost中的Traits十分完善,可分为如下几大类:
1. Primary Type Categorisation(初级类型分类)
2. Secondary Type Categorisation(次级类型分类)
3. Type Properties(类型属性)
4. Relationships Between Types(类型间关系)
5. Transformations Between Types(类型间转换)
6. Synthesizing Types(类型合成)
7. Function Traits(函数traits)
由于其中一些traits只是简单的模板偏特化,故不作介绍,本文仅介绍一些技术性较强的traits。由于traits的定义往往重复代码较多,所以必要时本文仅剖析其底层机制。所有源码均摘自相应头文件中,为使源码简洁,所有的宏均已展开。由于traits技巧与编译平台息息相关,某些平台可能不支持模板偏特化。这里我们假设编译器是符合C++标准的。在我的VC7.0上,以下代码均通过编译并正常工作。
初级类型分类
is_array (boost/type_traits/is_array.hpp)
定义
// 缺省
template<typename T>
struct is_array
{
static const bool value=false;
};
// 偏特化
template<typename T,size_t N>
struct is_array<T[N]>
{
static const bool value=true;
};
注解
C++标准允许整型常量表达式作为模板参数,上面的N就是这样。这也说明出现在模板偏特化版本中的模板参数(在本例中为typename T,size_t N两个)个数不一定要跟缺省的(本例中为typename T一个)相同,但出现在类名称后面的参数个数却要跟缺省的个数相同(is_array<T[N]>,T[N]为一个参数,与缺省的个数相同)。
使用
is_array<int [10]>::value // true(T=int,N=10)
is_array<int>::value // false(T=int)
is_class(.../is_class.hpp)
定义
// 底层实现,原因是根据不同的编译环境可能有不同的底层实现,我的编译环境为VC7.0,其他底层实现从略。
template <typename T>
struct is_class_impl
{
template <class U>
static ...::yes_type is_class_tester(void(U::*)(void));
template <class U> static ...::no_type is_class_tester(...);
// ice_and是一个元函数,提供逻辑与(AND)操作
static const bool value =
...::ice_and<
sizeof(is_class_tester<T>(0))==sizeof(...::yes_type), // #3
...::ice_not<...::is_union<T>::value >::value
>::value
};
template<typename T>
struct is_class
{
// 所有实现都在is_class_imp中
static const bool value = is_class_impl<T>::value;
};
注解
::boost::type_traits::yes_type是一个typedef:
因此sizeof(yes_type)为1.
::boost::type_traits::no_type则是一个struct:
struct no_type
{
char padding[8];
};
因此sizeof(no_type)为8。
这两个类型一般被用作重载函数的返回值类型,这样通过检查返回值类型的大小就知道到底调用了哪个函数,它们的定义位于“boost/type_traits/detail/yes_no_type.hpp”中。
is_class_impl中有两个static函数,第一个函数仅当模板参数U是类时才能够被实例化,因为它的参数类型是void(U::*)(void),即指向成员函数的指针。第二个函数具有不定量任意参数列表,C++标准说只有当其它所有的重载版本都不能匹配时,具有任意参数列表(...)的重载版本才会被匹配。所以,如果T为类,则void (T::*)(void)这种类型就存在,所以对is_class_tester<T>(0)的重载决议将是调用第一个函数,因为将0赋给任意类型的指针都是合法的。而如果T不是类,则就不存在void(T::*)(void)这种指针类型,所以第一个函数就不能实例化,这样,对is_class_tester<T>(0)的重载决议结果只能调用第二个函数。
现在注意#3处的表达式:
sizeof(is_class_tester<T>(0))==sizeof(...::yes_type) // #3
按照上面的推导,如果T为类,is_class_tester<T>(0)实际调用第一个重载版本,返回yes_type,则该表达式求值为true。如果T不是类,则is_class_tester<T>(0)调用第二个重载版本,返回no_type,则该表达式求值为false。这正是我们想要的。
一个值得注意的地方是:在sizeof的世界里,没有表达式被真正求值,编译器只推导出表达式的结果的类型,然后给出该类型的大小。
比如,对于sizeof(is_class_tester<T>(0))编译器实际并不调用函数的代码来求值,而只关心函数的返回值类型。所以声明该函数就够了。另一个值得注意之处是is_class_tester的两个重载版本都用了模板函数的形式。第一个版本用模板形式的原因是如果不那样做,而是这样
static yes_type is_class_tester(void(T::*)(void));
的话,则当T不是类时,该traits将不能通过编译,原因很简单,当T不是类时void (T::*)(void)根本不存在。然而,使用模板时,当T不是类时该重载版本会因不能实例化而根本不编译,C++标准允许不被使用的模板不编译(实例化)。这样编译器就只能使用第二个版本,这正合我们的意思。
而is_class_tester的第二个重载版本为模板则是因为第一个版本是模板,因为在#3处对is_class_tester的调用是这样的:
is_class_tester<T>(0)
如果第二版本不是模板的话,这样调用只能解析为对is_class_tester模板函数(即第一个版本)的调用,于是重载解析也就不复存在了。
“等等!”你意识到了一些问题:“模板函数的调用可以不用显式指定模板参数!”好吧,也就是说你试图这样写:
// 模板
template <class U>
static ...::yes_type is_class_tester(void(U::*)(void));
// 非模板
static ...::no_type is_class_tester(...);
然后在#3标记的那一行这样调用:
is_class_tester(0) // 原来是is_class_tester<T>(0))
是的,我得承认,这的确构成了函数重载的条件,也的确令人欣喜的通过了编译,然而结果肯定不是你想要的。你会发现对所有类型T,is_class<T>::value现在都是0了!
也就是说,编译器总是调用is_class_tester(..);这是因为,当调用的函数的所有重载版本中有一个或多个为模板时,编译器首先要尝试进行模板函数实例化而非重载决议,而在尝试实例化的过程中,编译器会进行模板参数推导,0的类型被编译器推导为int(0虽然可以赋给指针,但0的类型不可能被推导为指针类型,因为指针类型可能有无数种,而事实上C++是强类型语言,对象只能属于某一种类型),而第一个函数的参数类型void (U::*)(void)根本无法与int匹配(因为如果匹配了,那么模板参数U被推导为什么呢?)。所以第一个版本实例化失败后编译器只能采用非模板的第二个版本。结果如你所见,是令人懊恼的。然而如果你写的是is_class_tester<T>(0)你其实是显式实例化了is_class_tester每一个模板函数(除了那些不能以T为模板参数实例化的),而它们都被列入接受重载决议的侯选单,然后编译器要做的就只剩下重载决议了。(关于编译器在含有模板函数的重载版本时是如何进行重载决议的,可参见C++ Primer的Function Templates一节,里面有极其详细的介绍)。
以上所将的利用函数重载来达到某些目的的技术在type_traits甚至整个boost库里多处用到。
初级类型分类还有:
is_void is_integral is_float is_pointer is_reference is_union is_enum is_function
请参见boost提供的文档。
次级类型分类
is_member_function_pointer(.../is_member_function_pointer.hpp)
定义(.../detail/is_mem_fun_pointer_impl.hpp)
// 缺省版本
template <typename T>
struct is_mem_fun_pointer_impl
{
static const bool value = false;
};
// 偏特化版本,匹配无参数的成员函数
template <class R, class T >
struct is_mem_fun_pointer_impl<R (T::*)() >
{
static const bool value = true;
};
//匹配一个参数的成员函数
template <class R, class T , class T0>
struct is_mem_fun_pointer_impl<R (T::*)( T0) >
{
static const bool value = true;
};
... // 其它版本只是匹配不同参数个数的成员函数的偏特化而已,参见源文件。
template<class T>
struct is_mem_function_pointer
{
static const bool value =
is_mem_fun_pointer_impl<T>::value;
};
注解
假设你有一个类X,你这样判断:
is_mem_function_pointer<int (X::*)(int)>::value
则编译器会先将is_mem_function_pointer的模板参数class T推导为int (X::*)(int),然后将其传给is_mem_fun_pointer_impl,随后编译器寻找后者的偏特化版本中最佳匹配项为:
is_mem_fun_pointer_impl<R(T::*)(T0)>
其中R=int,T=X,T0=int。而该偏特化版本的::value=true。
次级类型分类还有:
is_arithmetic is_fundamental is_object is_scalar is_compound
请参见boost提供的文档。
类型属性
is_empty(.../is_empty.hpp)
定义
// 如果T是空类,那么派生类的大小就是派生部分的大小即sizeof(int)*256
template <typename T>
struct empty_helper_t1
: public T
{
empty_helper_t1();
int i[256];
};
struct empty_helper_t2
{
int i[256];
}; // 大小为sizeof(int)*256
通过比较以上两个类的大小可以判断T是否为空类,如果它们大小相等则T为空类。反之则不为空。
这里一个值得注意的地方是:若定义一个空类E,则sizeof(E)为1(这一个字节是用于在内存中唯一标识该类的不同对象。如果sizeof(E)为0,则意味着不同的对象在内存中的位置没有区别,这显然有违直观)。然而如果有另一个非空类继承自E,那么这一个字节的内存就不需要。也就是说派生类的大小等于派生部分的大小,而非加上一个字节。
// 这个辅助类的作用是:如果T不是类则使用该缺省版本如果T是类则使用下面的偏特化版本。而判断T是否为类的工作则由上面讲过的is_class<>traits来做。
template <typename T, bool is_a_class = false>
struct empty_helper
{
static const bool value = false;
};
template <typename T>
struct empty_helper<T, true> // #5
{
static const bool value =
(sizeof(empty_helper_t1<T>) == sizeof(empty_helper_t2));
};
template <typename T>
struct is_empty_impl
{
// remove_cv将T的const volatile属性去掉,这是因为在作为基类的类型不能有const/volatile修饰。
typedef typename remove_cv<T>::type cvt;
static const bool value =
ice_or<
empty_helper<cvt, is_class<T>::value>::value, // #4
BOOST_IS_EMPTY(cvt)
>::value;
};
注解
在#4处,如果is_class<T>::value为true(即T为类)则empty_helper<cvt,is_class<T>::value>::value实际决议为empty_helper<cvt,true>,这将采用偏特化版本#5,则结论出现。
否则T不是类,则采用缺省版本,结果::value为false。
is_polymorphic(.../is_polymorphic.hpp)
is_plymorphic的运作机制基于一个基本事实:一个多态的类里面会有一个虚函数表指针(一般称为vptr),它指向一个虚函数表(一般称为vtbl)。后者保存着一系列指向虚函数的函数指针以及运行时类型识别信息。一个虚函数表指针通常占用4个字节(32寻址环境下的所有指针都占用4个字节)。反之,如果该类不是多态,则没有这个指针的开销。基于这个原理,我们可以断定:如果类X不是多态类(没有vtbl及vptr),则如果从它派生一个类Y,Y中仅含有一个虚函数,这会导致sizeof(Y)>sizeof(X)(这是因为虚函数的首次出现导致编译器必须在Y中加入vptr的缘故)。反之,如果X原本就是多态类,则sizeof(Y)==sizeof(X)(因为这种情况下,Y中其实已经有了从X继承而来的vtbl及vptr,编译器所要做的只是将新增的虚函数纳入到vtbl中去)。
定义
// 当T为类时使用这个版本
template <class T>
struct is_polymorphic_imp1
{
typedef typename remove_cv<T>::type ncvT;
// ncvT是将T的const volatile修饰符去掉后的类型,因为public后不能跟这样的修饰符,该类里没有虚函数
struct d1 : public ncvT
{
d1();
~d1() // throw();
char padding[256];
};
struct d2 : public ncvT // 在d2中加入一个虚函数
{
d2();
//加入一个虚函数,如果ncvT为非多态则会导致vptr的加入从而多占用4字节
virtual ~d2() // throw();
char padding[256];
};
// 如果T为多态类则value为true
static const bool value =
(sizeof(d2) == sizeof(d1));
};
// 当T并非类时采用这个版本
template <class T>
struct is_polymorphic_imp2
{
// 既然T不是类,那么就不存在多态,所以总是false
static const bool value = false;
};
// 这个selector根据is_class的真假来选择判断的方式
template <bool is_class>
struct is_polymorphic_selector
{
// 如果is_class为false则由is_polymorphic_imp2来判断,这将导致结果总是false
template <class T>
struct rebind
{
typedef is_polymorphic_imp2<T> type; // 使用_imp2
};
};
//当is_class为true时使用该特化版本
template <>
struct is_polymorphic_selector<true> // #7
{
// 如果is_class为true,则由is_polymorphic_imp1<>来作判断
template <class T>
struct rebind
{
typedef is_polymorphic_imp1<T> type; // 使用_imp1
};
};
// is_polymorphic完全由它实现
template <class T>
struct is_polymorphic_imp
{
// 选择selector
typedef
is_polymorphic_selector<is_class<T>::value> selector; // #6
typedef typename selector::template rebind<T> binder; // #8
typedef typename binder::type imp_type; // #9
static const bool value = imp_type::value;
};
注解
#6处如果T为类,则is_class<T>::value为true,则那一行实际上就是:
typedef is_polymorphic_selector<true> selector;
这将决议为is_polymorphic_selector的第二个重载版本#7,其中的template rebind将判断的任务交给is_polymorphic_imp1,所以#8行的binder其实就是is_polymorphic_selector<true>::rebind<T>。而#9行的imp_type其实就是is_polymorphic_imp1<T>,结果正如预期。如果T不是类,按照类似的推导过程,最终会推导至is_polymorphic_imp2<T>::value,这正是false。
“嗨!这太烦琐了!”你抱怨道:“可以简化!”。我知道,你可能会想到使用boost::ct_if(ct_if是?:三元操作符的编译期版本,像这样使用:
typedef
ct_if<CompileTimeBool,TypeIfTrue,TypeIfFalse>::value
result;
则当CompileTimeBool为true时result为TypeIfTrue,否则result为TypeIfFalse。ct_if<>的实现很简单,模板偏特化而已)。于是你这样写:
typedef typename boost::ct_if<
is_class<T>::value,
is_polymorphic_imp1<T>,
is_polymorphic_imp2<T>,
>::type
imp_type;
static const bool value = imp_type::value;
这在我的VC7.0环境下的确编译通过并正常工作,但是有一个小问题:假如T不是class,比如,T是一个int,则编译器的类型推导会将is_polymorphic_imp1<int>赋给ct_if的第二个模板参数,在这个过程中编译器会不会实例化is_polymorphic_imp1<int>(或者,换句话说,编译器会不会去查看它的定义)呢?如果实例化了,那么其内部的struct d1 : public ncvT会不会也跟着实例化为struct d1:public int,如果是这样,那么将会有编译期错误,因为C++标准不允许有public int这样的东西出现。事实上我的编译器没有报错,即是说它并没有去查看is_polymorphic_imp1<int>的定义。
而C++标准实际上也支持这种做法。但boost库中的做法更为保险,也许是为了应付一些老旧的编译器。
类型属性traits还有:
alignment_of is_const is_volatile is_pod has_trivial_constructor等
类型间关系
is_base_and_derived(boost/type_traits/is_base_and_derived.hpp)
定义
template<typename B, typename D>
struct bd_helper
{
template<typename T>
static type_traits::yes_type check(D const volatile *, T);
static type_traits::no_type check(B const volatile *, int);
};
template<typename B, typename D>
struct is_base_and_derived_impl2
{
struct Host
{
// 该转换操作符当对象为const对象时才起作用
operator B const volatile *() const;
operator D const volatile *();
};
static const bool value =
sizeof(bd_helper<B,D>::check(Host(), 0)) // #10
== sizeof(type_traits::yes_type);
};
以上就是is_base_and_derived的底层机制。下面我就为你讲解它所仰赖的机制,假设有这样的类继承体系:
struct B {};
struct B1 : B {};
struct B2 : B {};
struct D : private B1, private B2 {};
将D*转换为B1*会导致访问违规,因为私有基类部分无法访问,但是后面解释了这为什么不会发生。
首先来看一些术语:
SC - Standard Conversion
UDC - User-Defined Conversion
一个user-defined转换序列由一个SC后跟一个UDC后再跟一个SC组成。其中头尾两个SC都可以为到自身的转换(如:D->D),#10处将一个缺省构造的Host()交给bd_helper<B,D>::check函数。
对于static no_type check(B const volatile *, int),我们有如下可行的隐式转换序列:
Host -> Host const -> B const volatile* (UDC)
或
Host -> D const volatile* (UDC) -> B1 const volatile* / B2 const volatile* -> B const volatile* (SC)
而对于static yes_type check(D const volatile *, T),我们则有如下转换序列:
Host -> D const volatile* (UDC)
C++标准说,在重载决议中选择最佳匹配函数时,只考虑标准转换(SC)序列,而这个序列直到遇到一个UDC为止,对于第一个函数,将Host -> Host const与Host -> Host比较,显然选择后者。因为后者是前者的一个真子集。因此,去掉第一个转换序列我们得到:
C -> D const volatile* (UDC) -> B1 const volatile* / B2 const volatile* -> B const volatile* (SC)
vs.
C -> D const volatile* (UDC)
这里采用选择最短序列的原则,选择后者,这表明编译器甚至根本不需要去考虑向B转换的多重路径,或者访问限制,所以转换二义性和访问违规也就不会发生。结论是如果D继承自B,则选择yes_type check()。
如果D不是继承自B,则对于static no_type check(B const volatile *, int)编译器的给出的转换为:
C -> C const -> B const volatile*(UDC)
对于static yes_type check(D const volatile *, T)编译器给出:
C -> D const volatile* (UDC)
这两个都不错(都需要一个UDC),然而由于static no_type check(B const volatile *, int)为非模板函数,所以被编译器选用。结论是如果D并非继承自B,则选择no_type check()。
另外,在我的VC7.0环境下,如果将Host的operator B const volatile *() const的const拿掉,则结果将总是false。
可惜这样的理解并不属于我,它们来自boost源代码中的注释。
is_convertible(boost/type_traits/is_convertible.hpp)
定义
template< typename From >
struct does_conversion_exist
{
template< typename To >
struct result_
{
// 当不存在从From到To的任何转型时调用它
static no_type _m_check(...);
// 只要转型存在就调用它
static yes_type _m_check(To);
// 这只是个声明,所以并不占用空间,且没有开销。
static From _m_from;
enum
{
value =
sizeof( _m_check(_m_from) ) == sizeof(yes_type);
};
};
};
// 这是个为void准备的特化版本,因为不能声明void _m_from,只有void可以向void“转换”
template<>
struct does_conversion_exist<void>
{
template< typename To >
struct result_
{
enum { value = ::boost::is_void<To>::value };
};
};
// is_convertible完全使用does_conversion_exist作底层机制,所以略去。
注解
does_conversion_exist也使用了与is_class_impl一样的技术。所以注解从略。该技术最初由Andrei Alexandrescu发明。
最后,Transformations Between Types(类型间转换),Synthesizing Types(类型合成),Function Traits(函数traits)的机制较为单纯,请自行参考boost提供的文档或头文件。
traits是泛型世界中的精灵:小巧,精致。traits也是泛型编程中最精微的东西,它们往往仰赖于一些编译期决议的规则,C++标准,和神奇的模板偏特化。这也导致了它们在不同的平台上可能有不同表现,更常见的是,在某些平台上根本无法工作。然而,由于它们的依据是C++标准,而编译器会越来越符合标准,所以这些问题只是暂时的。traits也是构建泛型世界的基本组件之一,它们往往能使设计变得优雅,精致,甚至完美。
目录(展开《boost源码剖析》系列文章)
来自:http://blog.csdn.net/pongba/archive/2004/08/24/83828.aspx