本篇文章基于gcc中标准库源码剖析一下标准库中的模板类pointer_traits
,并且以此为例理解一下traits技法。
说明一下,我用的是gcc7.1.0编译器,标准库源代码也是这个版本的。
还是先看一下思维导图,如下:
1. 指针萃取器pointer_traits说明
首先说明一下哈,官方并没有指针萃取器这个名称,其实pointer_traits
是类模板,它是c++11以后引入的,可以通过传入的重绑定模板类型得到相应的指针类型,比较官方的描述是:pointer_traits
类模板提供标准化方法,用于访问类指针类型的某些属性。
那么为什么要把这个pointer_traits
拿出来单独说明一下呢,因为类似之前的内存分配器一样,它是stl中某些容器的使用前提,在讲容器的时候,绕不开它,所以先把它搞清楚了有助于后续的学习和理解。
为什么要叫指针萃取器呢,我理解它类似于内存萃取器allocator_traits
,都是根据模板参数去得到某种类型,并且traits也有萃取的意思,所以我这里就叫指针萃取器了。
2. 指针萃取器源代码分析
类模板pointer_traits
在标准库中有两个版本,一个特化版本,一个非特化版本,源代码都在bits/ptr_traits.h
头文件中,当然实际使用的时候它是被包含在头文件memory
中的。
2.1 非特化pointer_traits
我们先分析一下非特化版本的源代码,如下:
//pointer_traits类模板
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参数里面类型存在则直接使用下面这个结构体,否则使用上面那个
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>");
};
对于这段代码,其实初看起来是有点懵的,但是万变不离其宗,一个类被定义出来,最后是给别人使用的,所以对于类类型而言,我们只要搞懂它的公共成员都有些什么作用,那大概也就知道这个类的作用了。
这里需要说明一下__detected_or_t
的作用,它也是一个类型模板,声明如下:
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<_Args...>
是一个有效的类型,那这个类型就是_Op<_Args...>
,否则就是_Default
。
那么对于类模板pointer_traits
,它的公共成员作用如下:
- pointer,这个其实就是模板参数
_ptr
的一个别名; - element_type,也是一个别名,如果
_ptr::element_type
这个类型存在,则它就是_ptr::element_type
这个类型,如果_ptr::element_type
这个类型不存在,但是_ptr
是一个模板特化,则它就是_ptr
,否则就是__undefined
,其实就是无意义类型了; - difference_type,也是一个别名,如果
_ptr::difference_type
这个类型存在,则它就是_ptr::difference_type
,否则就是ptrdiff_t
类型; - template
using rebind ,它是一个类型别名模板,由类pointer_traits
的模板参数和rebind的模板参数一起决定最终到底是什么类型,若_ptr::rebind<_Up>
这个类型存在则它就是_ptr::rebind<_Up>
,否则根据类型模板__replace_first_arg
的实现,若_ptr
是模板特化_Template<_Tp, _Types...>
,则它是_Template<_Tp, _Types...>
,否则就没有类型; - pointer_to,它是一个静态成员函数,调用模板类型的pointer_to函数,所以具体什么作用取决于
_ptr
的实现,但根据字面意思应该是获取element_type
类型对象的地址。
所以总的来看,说白了类模板pointer_traits
其实就是用于获取模板参数_ptr
的某些类型属性,那从这里反推一下,也能知道这个模板参数类型需要具有一些什么属性。
2.2 特化pointer_traits
接下来看一下特化类模板pointer_traits
的源代码实现:
template<typename _Tp>
struct pointer_traits<_Tp*>
{
typedef _Tp* pointer; //为特化类型取个别名
typedef _Tp element_type; //为模板类型取别名
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); }
};
对于特化类型,它的公共成员与非特化其实是一致的,只是它是为_Tp*
类型提供的特化,对于其他公共成员,这里比较简单,就不再多说了,重点再看一下template<typename _Up> using rebind
这个类型别名模板,它直接获取一个_Up*
类型的指针,结合整体来看,它的作用就是:重绑定类型成员模板别名,使得可以由指向 _Tp
的指针类型,获取指向 _Up
的指针类型。
源代码分析完以后,貌似有点印象了,但是我们具体应该怎么使用呢?
3. 指针萃取器的简单使用
我们先写一段例子代码,如下:
#include <memory>
#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <cxxabi.h>
//将gcc编译出来的类型翻译为真实的类型
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;
}
上面这个例子很显然用到了特化的pointer_traits
,并且用的rebind属性,由指向int的指针类型获得了指向double的指针类型,代码输出如下:
double*
看上面的代码,我们还是不知道pointer_traits
到底有啥作用,并且看起来是把简单的类型搞复杂了,但有一点,当我们不知道确切类型的时候,使用这个标准模板类获取指针类型还是蛮方便的,这一点在标准库的deque
容器中就有使用。
而对于非特化的pointer_traits
,看一下下面这段代码:
#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;
}
说白了,从这里看pointer_traits
的作用就是得到某些类型的属性,这个在类型未知的时候就比较有用,比较典型的用法是在标准库的allocator_traits
类模板里面,我们之前说过,allocator_traits
是内存萃取器,在这个萃取器里面,会通过pointer_traits
获取一些分配器的类型属性。
4. 从指针萃取器角度谈traits技法
所谓traits
,字面意思是特性、特征,所以说白了,traits技法其实就是获取未知类型的某些属性,为什么说是未知,因为traits主要用于模板编程中,根据模板类型去获取某些类型特性,如果是已知的类型,那就没有必要使用traits技法了。
比如本篇文章所讲的pointer_traits
,它就是使用traits技法的典型案例,按照字面意思我们可以理解为指针的特性,所以非特化的pointer_traits
它就是用于获取某些类指针的类型特性,而一般特化的pointer_traits
其实是用于原生指针类型,比如int*
这样的。
下面我们再看一看怎么使用非特化的pointer_traits
获取类指针的特性,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;
}
代码输出:int
,它获取了智能指针的element_type
特性。
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