Traits技术初探

概述:
traits是一种特性萃取技术,它在Generic Programming中被广泛运用,常常被用于使不同的类型可以用于相同的操作,或者针对不同类型提供不同的实现.traits在实现过程中往往需要用到以下三种C++的基本特性:
enum
typedef
template (partial) specialization
其中:
enum用于将在不同类型间变化的标示统一成一个,它在C++中常常被用于在类中替代define,你可以称enum为类中的define;
typedef则用于定义你的模板类支持特性的形式,你的模板类必须以某种形式支持某一特性,否则类型萃取器traits将无法正常工作.看到这里你可能会想,太苛刻了吧?其实不然,不支持某种特性本身也是一种支持的方式(见示例2,我们定义了两种标示,__xtrue_type和__xfalse_type,分别表示对某特性支持和不支持).
template (partial) specialization被用于提供针对特定类型的正确的或更合适的版本.
借助以上几种简单技术,我们可以利用traits提取类中定义的特性,并根据不同的特性提供不同的实现.你可以将从特性的定义到萃取,再到traits的实际使用统称为traits技术,但这种定义使得traits显得过于复杂,我更愿意将traits的定义限于特性萃取,因为这种定义使得traits显得更简单,更易于理解,^_^.

举例:
上面提到过,traits可被用于针对不同类型提供不同的实现,那么下面就举两个例子来说明如何实现这一点.
Example 1:
假定我们需要为某个类设计一个可以对所有类型(包括普通的int/long...,提供了clone方法的复杂类型CComplexObject,及由该类派生的类)进行操作的函数clone,下面,先用OO的方法来考虑一下解决方案.看到前面的条件,最先跳进你脑子里的肯定是Interface,pure virtual function等等.对于我们自己设计的类CComplexObject而言,这不是问题,但是,对于基本数据类型呢?还有那些没有提供clone方法的复杂类型呢?(这时候你可能会想,要是Java该多easy,所有类都默认从Object派生,而Object已提供了一个默认的clone方法,但是,要使类真正支持clone,还必须implements Cloneable,所以,同样也不能避免这里遇到的麻烦).
下面是一个可能的解决方案:
template <typename T, bool isClonable>
class XContainer
{
    ...
    void clone(T* pObj)
    {
        if (isClonable)
        {
            pObj->clone();
        }
        else
        {
            //... non-Clonable algorithm ...
        }
    }
};
但是只要你测试一下,这段代码不能通过编译.为什么会这样呢?原因很简单:对于没有实现clone方法的非Clonable类或基本类型,pObj->clone这一句是非法的.
那么怎样解决上面的这个难题呢?上面不能通过编译的代码告诉我们,要使我们的代码通过编译,就不能使非Clonable类或基本类型的代码中出现pObj->clone,即我们需要针对不同类型提供不同的实现.为了实现这一点,我们可以在我们的模板类中用enum定义一个trait,以标示类是否为Clonable类,然后在原模板类内部引入一个traits提取类Traits,通过对该类进行specilizing,以根据不同的trait提供不同的实现.具体实现如下:
#include <iostream>
using namespace std;

class CComplexObject // a demo class
{
public:
    void clone() { cout << "in clone" << endl; }
};

// Solving the problem of choosing method to call by inner traits class
template <typename T, bool isClonable>
class XContainer
{
public:
    enum {Clonable = isClonable};

    void clone(T* pObj)
    {
        Traits<isClonable>().clone(pObj);
    }

    template <bool flag>
        class Traits
    {
    };

    template <>
        class Traits<true>
    {
    public:
        void clone(T* pObj)
        {
            cout << "before cloning Clonable type" << endl;
            pObj->clone();
            cout << "after cloning Clonable type" << endl;
        }
    };

    template <>
        class Traits<false>
    {
    public:
        void clone(T* pObj)
        {
            cout << "cloning non Clonable type" << endl;
        }
    };
};

void main()
{
    int* p1 = 0;
    CComplexObject* p2 = 0;

    XContainer<int, false> n1;
    XContainer<CComplexObject, true> n2;

    n1.clone(p1);
    n2.clone(p2);
}
编译运行一下,上面的程序输出如下的结果:
doing something non Clonable
before doing something Clonable
in clone
after doing something Clonable
这说明,我们成功地根据传入的isClonable模板参数为模板实例选择了不同的操作,在保证接口相同的情况下,为不同类型提供了不同的实现.

Example 2:
我们再对上面的例子进行一些限制,假设我们的clone操作只涉及基本类型和CComplexObject及其派生类,那么我们可以进一步给出下面的解法:
#include <iostream>
using namespace std;

struct __xtrue_type { }; // define two mark-type
struct __xfalse_type { };

class CComplexObject // a demo class
{
public:
    virtual void clone() { cout << "in clone" << endl; }
};

class CDerivedComplexObject : public CComplexObject // a demo derived class
{
public:
    virtual void clone() { cout << "in derived clone" << endl; }
};

// A general edtion of Traits
template <typename T>
struct Traits
{
    typedef __xfalse_type has_clone_method; // trait 1: has clone method or not? All types defaultly has no clone method.
};

// Specialized edtion for ComplexObject
template <>
struct Traits<CComplexObject>
{
    typedef __xtrue_type has_clone_method;
};

template <typename T>
class XContainer
{
    template <typename flag>
        class Impl
    {
    };
    template <>
        class Impl <__xtrue_type>
    {
    public:
        void clone(T* pObj)
        {
            pObj->clone();
        }
    };
    template <>
        class Impl <__xfalse_type>
    {
    public:
        void clone(T* pObj)
        {
        }
    };
public:
    void clone(T* pObj)
    {
        Impl<Traits<T>::has_clone_method>().clone(pObj);
    }
};

void main()
{
    int* p1 = 0;
    CComplexObject c2;
    CComplexObject* p2 = &c2;
    CDerivedComplexObject c3;
    CComplexObject* p3 = &c3; // you must point to a derived object by a base-class pointer,
                            //it's a little problem

    XContainer<int> n1;
    XContainer<CComplexObject> n2;
    XContainer<CComplexObject> n3;

    n1.clone(p1);
    n2.clone(p2);
    n3.clone(p3);
}
现在,所有基本类型以及CComplexObject类系都可以用于XContainer了.

结语:
看到这里,你或许会说,traits不过如此,还以为是什么高深的玩意呢!其实技术就是这样,说白了都很Easy,关键是怎么将他们用于实际,为实际的Designing/Development服务.毕竟,在IT领域,不能应用于实际的技术是没有价值的.

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