從c++標準庫指針萃取器談一下traits技法(推薦)

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本篇文章基於gcc中標準庫源碼剖析一下標準庫中的模板類pointer_traits，並且以此為例理解一下traits技法。

說明一下，我用的是gcc7.1.0編譯器，標準庫源代碼也是這個版本的。

還是先看一下思維導圖，如下：

1. 指針萃取器pointer_traits說明

首先說明一下哈，官方並沒有指針萃取器這個名稱，其實pointer_traits是類模板，它是c++11以後引入的，可以通過傳入的重綁定模板類型得到相應的指針類型，比較官方的描述是：pointer_traits 類模板提供標準化方法，用於訪問類指針類型的某些屬性。

那麼為什麼要把這個pointer_traits拿出來單獨說明一下呢，因為類似之前的內存分配器一樣，它是stl中某些容器的使用前提，在講容器的時候，繞不開它，所以先把它搞清楚瞭有助於後續的學習和理解。

為什麼要叫指針萃取器呢，我理解它類似於內存萃取器allocator_traits，都是根據模板參數去得到某種類型，並且traits也有萃取的意思，所以我這裡就叫指針萃取器瞭。

2. 指針萃取器源代碼分析

類模板pointer_traits在標準庫中有兩個版本，一個特化版本，一個非特化版本，源代碼都在bits/ptr_traits.h頭文件中，當然實際使用的時候它是被包含在頭文件memory中的。

2.1 非特化pointer_traits

我們先分析一下非特化版本的源代碼，如下：

//pointer_traits類模板
template<typename _Ptr>
    struct pointer_traits
    {
    private:
	template<typename _Tp>
	using __element_type = typename _Tp::element_type;

      template<typename _Tp>
	using __difference_type = typename _Tp::difference_type;

      template<typename _Tp, typename _Up, typename = void>
	struct __rebind : __replace_first_arg<_Tp, _Up> { };

      //如果__void_t參數裡面類型存在則直接使用下面這個結構體，否則使用上面那個
      template<typename _Tp, typename _Up>
	struct __rebind<_Tp, _Up, __void_t<typename _Tp::template rebind<_Up>>>
	{ using type = typename _Tp::template rebind<_Up>; };

    public:
      using pointer = _Ptr;
        
      using element_type
	= __detected_or_t<__get_first_arg_t<_Ptr>, __element_type, _Ptr>;

      using difference_type
	= __detected_or_t<ptrdiff_t, __difference_type, _Ptr>;

      template<typename _Up>
        using rebind = typename __rebind<_Ptr, _Up>::type;

      static _Ptr
      pointer_to(__make_not_void<element_type>& __e)
      { return _Ptr::pointer_to(__e); }

      static_assert(!is_same<element_type, __undefined>::value,
	  "pointer type defines element_type or is like SomePointer<T, Args>");
    };

對於這段代碼，其實初看起來是有點懵的，但是萬變不離其宗，一個類被定義出來，最後是給別人使用的，所以對於類類型而言，我們隻要搞懂它的公共成員都有些什麼作用，那大概也就知道這個類的作用瞭。

這裡需要說明一下__detected_or_t的作用，它也是一個類型模板，聲明如下：

template<typename _Default, template<typename...> class _Op,
	   typename... _Args>
    using __detected_or_t
      = typename __detected_or<_Default, _Op, _Args...>::type;

作用是如果_Op&lt;_Args...&gt;是一個有效的類型，那這個類型就是_Op&lt;_Args...&gt;，否則就是_Default。

那麼對於類模板pointer_traits，它的公共成員作用如下：

  • pointer，這個其實就是模板參數_ptr的一個別名；
  • element_type，也是一個別名，如果_ptr::element_type這個類型存在，則它就是_ptr::element_type這個類型，如果_ptr::element_type這個類型不存在，但是_ptr是一個模板特化，則它就是_ptr，否則就是__undefined，其實就是無意義類型瞭；
  • difference_type，也是一個別名，如果_ptr::difference_type這個類型存在，則它就是_ptr::difference_type，否則就是ptrdiff_t類型；
  • template<typename _Up>using rebind，它是一個類型別名模板，由類pointer_traits的模板參數和rebind的模板參數一起決定最終到底是什麼類型，若_ptr::rebind&lt;_Up&gt;這個類型存在則它就是_ptr::rebind&lt;_Up&gt;，否則根據類型模板__replace_first_arg的實現，若_ptr是模板特化_Template&lt;_Tp, _Types...&gt;，則它是_Template&lt;_Tp, _Types...&gt;，否則就沒有類型；
  • pointer_to，它是一個靜態成員函數，調用模板類型的pointer_to函數，所以具體什麼作用取決於_ptr的實現，但根據字面意思應該是獲取element_type類型對象的地址。

所以總的來看，說白瞭類模板pointer_traits其實就是用於獲取模板參數_ptr的某些類型屬性，那從這裡反推一下，也能知道這個模板參數類型需要具有一些什麼屬性。

2.2 特化pointer_traits

接下來看一下特化類模板pointer_traits的源代碼實現：

template<typename _Tp>
    struct pointer_traits<_Tp*>
    {
      typedef _Tp* pointer;   //為特化類型取個別名
      typedef _Tp  element_type;   //為模板類型取別名
      typedef ptrdiff_t difference_type; 

      template<typename _Up>
        using rebind = _Up*;

      static pointer
      pointer_to(__make_not_void<element_type>& __r) noexcept
      { return std::addressof(__r); }
    };

對於特化類型，它的公共成員與非特化其實是一致的，隻是它是為_Tp*類型提供的特化，對於其他公共成員，這裡比較簡單，就不再多說瞭，重點再看一下template&lt;typename _Up&gt; using rebind這個類型別名模板，它直接獲取一個_Up*類型的指針，結合整體來看，它的作用就是：重綁定類型成員模板別名，使得可以由指向 _Tp 的指針類型，獲取指向 _Up 的指針類型。

源代碼分析完以後，貌似有點印象瞭，但是我們具體應該怎麼使用呢？

3. 指針萃取器的簡單使用

我們先寫一段例子代碼，如下：

#include <memory>
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <cxxabi.h>

//將gcc編譯出來的類型翻譯為真實的類型
const char* GetRealType(const char* p_szSingleType)
{
    const char* szRealType = abi::__cxa_demangle(p_szSingleType, nullptr, nullptr, nullptr);
    return szRealType;
}

int main()
{
	using ptr = typename std::pointer_traits<int*>::template rebind<double>;
	ptr p1;
	const std::type_info &info = typeid(p1);
	std::cout << GetRealType(info.name()) << std::endl;
	return 0;
}

上面這個例子很顯然用到瞭特化的pointer_traits，並且用的rebind屬性，由指向int的指針類型獲得瞭指向double的指針類型，代碼輸出如下：

double*

看上面的代碼，我們還是不知道pointer_traits到底有啥作用，並且看起來是把簡單的類型搞復雜瞭，但有一點，當我們不知道確切類型的時候，使用這個標準模板類獲取指針類型還是蠻方便的，這一點在標準庫的deque容器中就有使用。

而對於非特化的pointer_traits，看一下下面這段代碼：

#include <memory>
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <cxxabi.h>
#include <string>

struct test_traits
{
	using element_type = int;
	using difference_type = double;
};

struct test_traits2
{
	using element_type = std::string;
	using difference_type = size_t;
};

const char* GetRealType(const char* p_szSingleType)
{
    const char* szRealType = abi::__cxa_demangle(p_szSingleType, nullptr, nullptr, nullptr);
    return szRealType;
}

int main()
{
	using type1 = typename std::pointer_traits<test_traits>::element_type;
	using type2 = typename std::pointer_traits<test_traits2>::difference_type;
	const std::type_info &info = typeid(type1);
	std::cout << GetRealType(info.name()) << std::endl;
	const std::type_info &info2 = typeid(type2);
	std::cout << GetRealType(info2.name()) << std::endl;
	return 0;
}

說白瞭，從這裡看pointer_traits的作用就是得到某些類型的屬性，這個在類型未知的時候就比較有用，比較典型的用法是在標準庫的allocator_traits類模板裡面，我們之前說過，allocator_traits是內存萃取器，在這個萃取器裡面，會通過pointer_traits獲取一些分配器的類型屬性。

4. 從指針萃取器角度談traits技法

所謂traits，字面意思是特性、特征，所以說白瞭，traits技法其實就是獲取未知類型的某些屬性，為什麼說是未知，因為traits主要用於模板編程中，根據模板類型去獲取某些類型特性，如果是已知的類型，那就沒有必要使用traits技法瞭。

比如本篇文章所講的pointer_traits，它就是使用traits技法的典型案例，按照字面意思我們可以理解為指針的特性，所以非特化的pointer_traits它就是用於獲取某些類指針的類型特性，而一般特化的pointer_traits其實是用於原生指針類型，比如int*這樣的。

下面我們再看一看怎麼使用非特化的pointer_traits獲取類指針的特性，如下：

#include <memory>
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <cxxabi.h>

const char* GetRealType(const char* p_szSingleType)
{
    const char* szRealType = abi::__cxa_demangle(p_szSingleType, nullptr, nullptr, nullptr);
    return szRealType;
}

int main()
{
	using type = typename std::pointer_traits<std::shared_ptr<int>>::element_type;
	const std::type_info &info = typeid(type);
	std::cout << GetRealType(info.name()) << std::endl;
	return 0;
}

代碼輸出:int，它獲取瞭智能指針的element_type特性。

到此這篇關於從c++標準庫指針萃取器談一下traits技法的文章就介紹到這瞭,更多相關c++ traits技法內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

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