学STL Iterator，traits笔记
最近看侯杰老师的《STL源码剖析》有一点收获，特把我对STL iterator设计的认识草草记录下来，大部分内容来自那本书(看原书更好)。欢迎大家跟我讨论，里面也有问题希望您能提供宝贵看法！
一. Iterator认识
如果需要构造一组通用容器，提供一套统一的算法，构造底层数据结构类库，iterator的设计无疑是非常重要的。iterator可以方便容器元素的遍历，提供算法的统一参数接口。怎么说？首先，让我们考虑一个算法。
Template <class T> ptrdiff_t
distance(T p1, T p2)
{
//计算p1和p2之间的距离
}
显然这个函数是想计算两个“位置”之间距离。这里表示“位置”的类型T，可以是指向数组中某个元素的（原生）指针，可以是指向链表节点的指针，也可以是用来记录位置的任何对象（例如我们要谈的iterator）。不管这两个位置是对应在数组，vector，链表或是其他任何容器，我们当然希望设计好的类库中最好只要一个这样的distance函数，而不需要每种容器都有不同的“位置”记录方式，从而导致需要很多个这样的distance算法。对，我们完全可以抽象出一种表示“位置”的概念，它像游标，像智能的指针，可以方便的遍历容器中的元素，记录位置，而不用管你作用的是什么类型的容器，这就是现在被容器设计者普遍接受的iterator概念。
二. STL iterator的设计：
为什么不用继承构造iterator？
容器抽象出5种iterator 类型，input<--forward<--bidrectional<--random access iterator加上output iterator，我们能不能通过refinement关系设计出具有继承关系的几个iterator类？然后各个容器的iterator类去继承这些基类。那么上面的disatance函数可以设计两个版本
ptrdiff_t distance(InputIterator p1, InputIterator p2)
{
//InputIterator只能一个一个前进,例如链表
ptrdiff_t n=0;
while(p1 != p2)
{
++p1; ++n;
}
return n;
}
ptrdiff_t distance(RandomAccessIterator p1, RandomAccessIterator p2)
{
//RandomAccessIterator可以直接计算差距，例如数组，vector等
return p2-p1;
}
这样看来是可行的对吗？但为什么STL不采用这种方式呢？（各位帮我想想啊，我实在是菜，想不出很好的理由啊）我所能想到的有：iterator可以是原生指针的类型，而原生指针是不会继承InputIterator基类的。（是不是还有效率问题？)
不讨论STL为什么不这么作，还是看看它漂亮的处理方法吧：先提醒你，它用的是函数模板（function template）的参数推导机制来确定函数返回值和参数类型的。
(1) 通过不同的iterator概念，先作几个表明iterator类型的tag类。input_iterator_tag<--forward_iterator_tag<--bidrectonal_iterator_tag<--random_access_iterator_tag。还有output_iterator_tag，这几个类都是空的，前面4个有继承关系。
(2) STL设计的iterator类都需要typedef一个重要的类型iterator_category用来表明这个iterator是什么类型的iterator，它必须是上面tag类中的一个。例如list<T>的iterator类有：
typedef bidrectonal_iterator_tag iterator_category;
另外需要有一个value_type类型表明iterator是指向什么类型的元素。例如list<T>的iterator类有：
typedef T value_type;
(3) 设计iterator_traits<class Iterator>类，这个类的作用是可以提取出模板参数Iterator类的类型。也是通过typedef实现的。如下：
template <class Iterator>
struct iterator_traits {
typedef typename Iterator::iterator_category iterator_category;
typedef typename Iterator::value_type value_type;
//.....
};
本来第二步中，我们设计的iterator类已经可以通过typedef别名来标志类型了，为什么要这层中间转换？原因是通常我们可以写Iterator::iterator_category作为一个typename，但如果Iterator是一个原生指针T*，我们写T*::iterator_category就得不到啦。利用partial specialization（模板偏特化）技术，可以通过中间层iterator_traits自己指定并得到原生指针的iterator_category类型，代码如下。（这么复杂的编译技术，真不知他们咋整的...吾辈只能望洋兴叹55）
template <class T>
struct iterator_traits<T*> {
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
typedef T value_type;
//........
};
(4) 设想要设计一个算法template <class Iterator> RET_TYPE gen_fun(Iterator p1, Iterator p2, ...)。
一般这么处理：
template <class Iterator> RET_TYPE gen_fun(Iterator p1, Iterator p2, ...)
{
typedef iterator_traits<Iterator>::iterator_category category;
typedef iterator_traits<Iterator>::value_type type; //这个type用于实际运算中得知iterator指向的对象(*运算符返回类型)
__gen_fun(Iterator p1, Iterator p2, ..., category());
}
category()构造一个iterator_tag类型的临时变量，该临时变量只用于区分调用函数，不参与实际算法实现。具体实现方法如下：(注意最后的参数不用变量名)
template <class Iterator> RET_TYPE __gen_fun(Iterator p1, Iterator p2, ..., input_iterator_tag)
{
//input_iterator类型的实际实现方法
//并且由于tag类继承机制，forward_iterator类型也会调用本方法
}
template <class Iterator> RET_TYPE __gen_fun(Iterator p1, Iterator p2, ..., bidrectonal_iterator_tag)
{
//bidrectonal_iterator类型的实际实现方法
}
template <class Iterator> RET_TYPE __gen_fun(Iterator p1, Iterator p2, ..., random_access_iterator_tag)
{
//random_access_iterator类型的实际实现方法
}
这样通过定义iterator tag和函数模板的参数推导机制，就实现了参数类型识别，达到了构造继承关系的iterator类实现的功能。并且没有继承要求那么严格，而且typedef是在编译时候完成的工作，丝毫不影响程序运行速度。如果增加iterator中typedef的类型，如pointer等，可以增强参数类型识别的功能。
另外需要提醒的是，在STL代码中，如果是random_access_iterator类型的方法，它通常写
template <class RandomAccessIterator> RET_TYPE __gen_fun(RandomAccessIterator p1, RandomAccessIterator p2, ..., random_access_iterator_tag)
是input_iterator类型的方法，它通常写
template <class InputIterator> RET_TYPE __gen_fun(InputIterator p1, InputIterator p2, ..., input_iterator_tag)
但是，别被这里的RandomAccessIterator和InputIterator迷惑了，它们只是模板参数而已，并没有继承关系，也不存在这样的类！（我就被这个迷惑了好久:( ）也不是我开头提的构造一组继承关系的Iterator类。模板参数写成RandomAccessIterator并不能表示该RandomAccessIterator类型就是random_access_iterator的，它写成T，Type，Iter都没有关系。只有通过iterator_traits得到iterator_tag才能表明iterator的真正类型。我想它那样写，只是为了提醒你调用函数的iterator类型吧。
三. 最后看看开头提的distance()算法实际实现：
template <class Iterator> inline
typename iterator_traits<Iterator>::iterator_category
iterator_category(const Iterator&)
//提取Iterator的iterator_category类型
{
typedef typename iterator_traits<Iterator>::iterator_category category;
return category();
}
template <class InputIterator, class Distance>
inline void distance(InputIterator first, InputIterator last, Distance& n)
{
__distance(first, last, n, iterator_category(first));
//根据提取的iterator_category类型选择实际执行函数
//Distance是通过引用传递，相当于函数返回值
}
template <class InputIterator, class Distance>
inline void __distance(InputIterator first, InputIterator last, Distance& n,
input_iterator_tag)
{
//input_iterator类型的实现，根据input_iterator_tag的继承关系，forward_iterator
//和bidrectonal_iterator也会调用此实现函数。
while (first != last) { ++first; ++n; }
}
template <class RandomAccessIterator, class Distance>
inline void __distance(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last,
Distance& n, random_access_iterator_tag)
{
//random_access_iterator类型的实现
n += last - first;
}
2004.11.10
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