CGI 萃取技术 __type_traits

前言

上一篇文章讲了 iterator_traits 的编程技法，非常棒适度弥补了 C++ 语言的不足。 STL 只对迭代器加以规范，制定了 iterator_traits 这样的东西。 CGI 把这种技法进一步扩大到迭代器以外的世界，于是有了 __type_traits。双划线前缀词意指只是 CGI STL 内部所有的东西，不在 STL 标准规范之内。

__type_traits 定义和作用

在源码中 __type_traits 在 type_traits.h 文件定义，以下是泛化版本：

struct __true_type {
};

struct __false_type {
};

//泛化版本
template <class type>
struct __type_traits { 
   typedef __true_type     this_dummy_member_must_be_first;
   
   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;
};

iterator_traits 负责萃取迭代器的特性，__type_traits 则负责萃取型别特性。这个特性主要是指：has_trivial_default_constructor，has_trivial_copy_constructor，has_trivial_assignment_operator，has_trivial_destructor，is_POD_type 这五种，表示是否有不重要的构造、析构、拷贝和赋值等操作，是真假属性。如果答案是肯定的，我们对这个型别进行相应操作时就可以采用更有效的措施，不调用 constructor 和 destructor 等，而采用内存直接处理操作如 malloc()、memcpy() 等等，获得最高效率。例如 int, float. double, char 等普通类型这些属性为真，不需要调用类型自身的构造和析构等。而 string 类或内嵌型别的类这些属性则是默认为假，需要调用自身的构造和析构等。这里的解释和侯捷《STL源码剖析》讲的不一样，侯捷引入 non-trivial defalt ctor 这种学术性的名称，可能这样更加专业，但我觉得不能直观表现源码，但意思是一样的，如果有问题欢迎留言讨论。

__true_type 和 __false_type 没有任何成员，不会带来额外负担，却又能标示真假。用 bool 也能达到目的，但是 bool 变量不能达到编译期绑定。CGI 把所有内嵌型别都定义为 __false_type，即定义出最保守的值。源码也针对普通类型设计特化版本，具体如下：

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<char> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<signed char> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<unsigned char> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<short> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<unsigned short> {
   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;
};

__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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<unsigned 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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<long> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<unsigned long> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<float> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<double> {
   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;
};

__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<long double> {
   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;
};

#ifdef __STL_CLASS_PARTIAL_SPECIALIZATION

template <class T>
struct __type_traits<T*> {
   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;
};

#endif

__STL_TEMPLATE_NULL 是个宏定义，指 template<>。普通类型的特化版本这五个属性均为 __true_type。

__type_traits 应用

__type_traits 在源码中的应用很多，我这里只举 uninitialized_fill_n 这个全局函数来说明，源码定义在 stl_uninitialized.h 文件，具体如下：

template<class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIterator first, Size n,
                           const T& x, __true_type) 
{
  return fill_n(first, n, x); //fill_n定义下面给出
}

template<class ForwardIterator, class Size, class T>
ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIterator first, Size n,
                           const T& x, __false_type) 
{
  ForwardIterator cur = first;
  __STL_TRY 
  {
    for ( ; n > 0; --n, ++cur)
      construct(&*cur, x);  //上面分析过，__false_type需调用自身构造
    
    return cur;
  }
  
  __STL_UNWIND(destroy(first, cur));
}

template<class ForwardIterator, class Size, class T, class T1>
inline ForwardIterator __uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,
                                              const T& x, T1*) 
{
  typedef typename __type_traits<T1>::is_POD_type is_POD;
  //根据is_POD的属性绑定不一样的函数
  return __uninitialized_fill_n_aux(first, n, x, is_POD());
                                    
}

template<class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIterator uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,
                                            const T& x) 
{
  return __uninitialized_fill_n(first, n, x, value_type(first));
}

上面调用的 fill_n 在 stl_glgobase.h 文件定义，调用的函数源码如下：

//填充元素到半开半闭区间[first, last)
template <class ForwardIterator, class T>
void fill(ForwardIterator first, ForwardIterator last, const T& value) {
  for ( ; first != last; ++first)
    *first = value;
}

我在程序中 debug 调试验证过，当 T 类型为普通类型 int，函数绑定的是调用 fill_n的函数，而当 T 是自定义类型，函数绑定的是含有 construct 的函数。验证了上述分析过程的正确性。

至此，我们发现，traits 真是个好东西，比 if-else 好多了，同时是在编译期绑定的，效率更高了，好神奇的技术，STL 源码值得继续学习下去！