GeekBand STL與泛型編程 First Week
泛型編程
模版介紹
模版是C++的一種特性，允許函數或類通過泛型的形式表現和運行。模版的類型有 類模版，函數模版， 成員模版等。
模版的實例化是從模版構建出一個真正函數或類的過程。模版被編譯了兩次。沒有被實例化之前，檢查模版代碼本身是否有語法錯誤，在實例化期間，檢查對模版代碼的調用是否合法。
函數模版是參數化的一族函數。通過模版函數，可以定義一系列函數。這些函數都是基于同一套代碼，但是可以作用在不同型別的參數上
C++類模版，與函數模版類似，類也可以通過參數泛化，從而可以構建出一族不同型別的類實例。類模版實參可以是某一型別或常量。
const std::size_t DefaultStackSize = 1024;
template <typename T, std::size_t n = DefaultStackSize > class stack
{
public:
void push(const T const& elememt);
int Pop(T& element);
int Top(T& elememt) const;
private:
std::vector<T> m_Members;
std::size_t m_nMaxSize = n;
}
類模版的特化，允許對一個類模版的某些模版參數類型做特化。特化的作用在于：對于某種特殊的型別，可能可以做些特別的優化或提供不同的實現；避免在實例化類的時候引起一些可能產生的詭異行為。類模版同樣可以特化或者偏特化。 如果有不止一個偏特化銅等程度地能匹配某個應用，那么該調用具有二義性，會產生編譯錯誤。
C++類模版參數可以有默認值。
Traits(特性)
Traits在面向對象程序設計中，是一個不可實例化（uninstantiable）的方法與類型的集合，為一個對象或算法提供了策略（policy）或實現自身界面的細節功能。
Traits作為模板類，既聲明了統一的界面（包括類型、枚舉、函數方法等），又可以通過模板特化，針對不同數據類型或其他模板參數，為類、函數或者通用算法在因為使用的數據類型不同而導致處理邏輯不同時，提供了區分不同類型的具體細節，從而把這部分用Traits實現的功能與其它共同的功能區分開來。例如，容器的元素的不同數據類型，或者iostream是使用char還是wchar_t。
C++標準模板庫中大量使用了traits。將因為模板形參（包括類型形參、非類型形參）不同而導致的不同抽取到新的模板（即traits）中去；然后通過traits的模板特化來實現針對具體情況的優化實現。一個traits包括了enum、typedef、模板偏特化（template partial specialization）。其中，enum定義了各種類的標識的統一表示；typedef定義了各個類的各自不同的類型定義，這對于使用模板元編程（template meta-programming）的靈活性非常重要；模板偏特化用于實現各個類的不同功能。
Example:
// tag struct
struct input_iterator_tag {};
struct output_iterator_tag {};
struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag {};
struct bidirectional_iterator_tag : public forward_iterator_tag {};
struct random_access_iterator_tag : public forward_iterator_tag {};
traits 必須能夠施行于內置類型，意味著 類型內嵌套信息(nesting inforamtion) 這種東西出局了，因為我們無法將信息嵌套于原始指針內。因此類型的traits信息。因此類型的traits信息必須位于類型自身之外。標準技術放入一個template及其一個或多個特化版本中。
Example:
// trabit classes
template<typename IterT>
struct iterator_traits;
template <...>
class deque {
public:
class iterator {
public:
typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
}
};
template <...>
class list {
public:
class iterator {
public:
typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
}
};
template<typename IterT>
struct iterator_traits {
typedef typename IterT::iterator_category iterator_category;
};
template<typename IterT>
struct iterator_traits<Iter T*> {
typedef random_access_itrator_tag iterator_category;
}
Trabit Class 如何設計
- 確認若干希望將來可以取得的類型信息，比如對于Iterator而言，我們希望可以取得其category
- 為信息選擇一個名稱，例如 iterator_category
- 提供一個template和一組特化版本，內含你希望支持的類型相關信息
此處編譯期間的if...else語句 判斷類型，可以使用重載
template<typename IterT, typename DistT>
void advance(IterT &iter, DistT d)
{
doAdvance(iter, d, typename std::iterator_trabits<IterT>::iterator_category())
}
tempalte<typename IterT, typename Dist T>
void doAdvance(IterT &iter, DistT d, std::random_access_iterator_tag)
{
iter += d;
}
tempalte<typename IterT, typename Dist T>
void doAdvance(IterT &iter, DistT d, std::bidirectional_iterator_tag)
{
if (d >= 0) { while(d--) ++iter; }
else { while (d++) --iter; }
}
tempalte<typename IterT, typename Dist T>
void doAdvance(IterT &iter, DistT d, std::bidirectional_iterator_tag)
{
if (d < 0) { throw std::out_of_range("Negative distance"); }
while (d--) ++iter;
}
總結:
- 建立一組重載函數或者函數模板(例如doAdvance)，彼此之間的差異只在于各自的trabit參數。令各個函數實現碼與其接受之trabits信息相應和
- 建立一個控制函數或者函數模板(例如advance)，它調用上述的"勞工函數"，并傳遞traits class提供的信息
迭代器 Iterator
迭代器是一種 Pointer-like class。是指針的泛化。迭代器本身是一個對象。在STL中迭代器是容器與算法之間的接口。在STL中，算法和容器是分離的，而迭代器就是它們之間的粘合劑。如 find 算法，接收一對迭代器作為參數，分別指向容器的開始和結束。
template<class _InIt, class _Ty>
inline _InIt find(_InIt _First, _InIt _Last, const _Ty& _Val)
{
for(; _First != _Last; ++_First)
if(*_First == _Val)
break;
return (_First);
}
Iterator也是一種很長的設計模式的手法，用來遍歷一個Resource，這樣可以屏蔽很多內部操作，直接利用了C++的operator++/operator--/operator+/operator-重載。
當然C++的iterator也是有好幾個分類的。具體而言
1.輸入迭代器(input iterator)
2.輸出迭代器(output iterator)
3.前向迭代器(forward iterator)
4.雙向迭代器(bidirectional iterator)
5.隨機存取迭代器(random access iterator)
輸入迭代器(input iterator)
input iterator就像其名字所說的,工作的就像輸入流一樣.我們必須能
- 取出其所指向的值
- 訪問下一個元素
- 判斷是否到達了最后一個元素
- 可以復制
因此其支持的操作符有 *p,++p,p++,p!=q,p == q這五個.凡是支持這五個操作的類都可以稱作是輸入迭代器.當然指針是符合的.
輸出迭代器(output iterator)
output iterator工作方式類似輸出流,我們能對其指向的序列進行寫操作,其與input iterator不相同的就是*p所返回的值允許修改,而不一定要讀取,而input只允許讀取,不允許修改.
支持的操作和上頭一樣,支持的操作符也是 *p,++p,p++,p!=q,p == q.
Example:
template<class In,class Out>
void copy(In start,In beyond, Out result)
{
while(start != beyond) {
*result = *start; // result是輸出迭代器,其*result返回的值允許修改
++result;
++start;
}
}
// 簡寫
template<class In,class Out>
void copy(In start,In beyond, Out result)
{
while(start != beyond)
*result++ = *start++;
}
前向迭代器(forward iterator)
前向迭代器就像是輸入和輸出迭代器的結合體,其*p既可以訪問元素,也可以修改元素.因此支持的操作也是相同的.
雙向迭代器(bidirectional iterator)
雙向迭代器在前向迭代器上更近一步,其要求該種迭代器支持operator--,因此其支持的操作有*p,++p,p++,p!=q,p == q,--p,p--
隨機存取迭代器(random access iterator)
即如其名字所顯示的一樣,其在雙向迭代器的功能上,允許隨機訪問序列的任意值.顯然,指針就是這樣的一個迭代器.
對于隨機存取迭代器來說, 其要求高了很多:
- 可以判斷是否到結尾(
a==b or a != b) - 可以雙向遞增或遞減(
--a or ++a) - 可以比較大小(
a < b or a > b or a>=b ...etc) - 支持算術運算(
a + n) - 支持隨機訪問(
a[n]) - 支持復合運算(
a+= n)
容器 Containter
我們所用的常用的數據結構不外乎 array, list, tree, stack, queue, hash table, set, map 等。這些數據結構分為序列式（sequence）和關聯式（associative）兩種。
Sequence Container : array, vector, list, deque
Associative Containter : set, map, multimap, unordered map
對于Sequence Container，我們一般認為這個是一個動態的數組，只是實現上各有差異，可以為鏈表，這個差異就是索引時候的速度，數組是O(1), 鏈表是O(n)。且從空間上來說動態數組在capacity相同的時候空間占用會比鏈表要少一些。但是鏈表在指定位置插入的成本會比數組少很多，是O(1)。
