【STL和泛型编程】2. 分配器、萃取器、迭代器、仿函数和适配器源码精读

1. OOP和GP

OOP（Object-Oriented programming）和GP（Generic Programming）面向对象编程和通用编程

OOP的目标是将数据和方法整合到一个类中
GP的目标是将数据和方法分开，容器包含了数据，算法包括排序方法等，而他们通过迭代器连接
- 例：sort()函数需要传入支持随机访问的迭代器，所以sort()不能对list的迭代器进行排序（但list自身有sort函数）

2. 模板

模板（泛化、全特化、偏特化）广泛存在于STL中
- 全特化：template<>来表示模板的特化版本

#define __STL_TEMPLATE_NULL template<>

template <class Key> struct hash {};    // 泛化

__STL_TEMPLATE_NULL struct hash<char> {
    size_t operator()(char x) const {return x;}    // 全特化
__STL_TEMPLATE_NULL struct hash<short> {
    size_t operator()(char short) const {return x;}    // 全特化...

- 偏特化：个数上的偏特化和范围上的偏特化

template <class T, class Alloc = alloc>    // 全特化
class vector {};

template <class Alloc>    // 偏特化（数量上的局部，原本有2个模板参数，现在只有1个）
class vector<bool, Alloc> {};

template <class Iterator>
struct iterator_traits {};

template <class T>    // 偏特化（范围上的局部，如果传入的是指针）
sturct iterator_traits<T*> {};

template <class T>    // 偏特化（范围上的局部，如果传入的是指针）
sturct iterator_traits<const T*> {};

3. 分配器

operator new()操作符根据类对象进行malloc()操作，申请一块内存，结构如图所示，它会包含必须的内存空间以及一些额外的空间存储数据

　　在VC6中，allocator只是调用了operator new和operator delete这两个操作符来完成allocate和deallocate这两个函数，没有任何特殊设计。这里存在一个问题，如果每次申请的都是1个int变量，因为调用operator new会申请额外空间存储一些必要数据，这会导致存储的额外开销非常大。

class allocator {
public:
    typedef _SIZT size_type;
    typedef _PDEF difference_type;
    typedef _Ty _FARQ *pointer;
    typedef _Ty value_type;
    pointer allocate(size_type _N, const void*)
        {return (_Allocate((difference_type) _N, (pointer)0)); }
    void deallocate(void _FARQ *_P, size_type)
        { operator delete(_P); }
};

　　直接使用 allocator 非常反人性，需要传入需要的类型以及数量，清除内存的时候也需要传入对应正确的数量

// 分配 512 个 int
int *p = allocator<int>().allocate(512, (int*)0);
allocate<int>().deallocate(p, 512);

　　在 G2.9 中也实现了allocator分配器，但实际实际上没有使用，而是使用了alloc分配器。allocator分配器每次申请一个元素时，在该块内存空间还有额外的内存记录该元素的大小等信息。但在容器中，这些信息实际上是非必要的。例如vector<int>容器中所有的元素都是8个字节，不需要为每个元素单独开辟内存空间来记录。alloc从这一点着手进行了优化

// STL源码中默认的分配器都使用了alloc
template <class T, class Alloc = alloc>
class vector {};

template <class T, class Alloc = alloc>
class list {};

　　alloc实现在<stl_alloc.h>中，有16条链，每个链负责8字节。例如8字节的int全部放到第0条链中，而alloc每次申请一大块内存来存储这些数据，减少了额外内存空间的使用

　　在新版的 G4.9 中默认的alloc又恢复成了基本的allocator，而alloc这个分配器被移动到了extension allocators，并且名字修改为了__pool_alloc，所以如果想要使用这个分配器，需要额外进行显示的说明

vector<string, __gnu_cxx::__pool_alloc<string>> myVec;

4. 迭代器作用与设计

4.1 Iterator

　　iterator是算法和容器间的桥梁，它让算法知道元素处理的范围，同时也需要满足算法需要的性质（如随机访问，++操作等）。即算法向迭代器提问，迭代器需要有回答的能力，标准规定迭代器必须有下面5种必须的能力

template<typename _Tp>
struct _List_iterator
{
    typedef std::bidirectional_iterator_tag iterator_category;    // 迭代器类别（输入、输出、正向、双向、随机访问迭代器）
    typedef _Tp  value_type;    // 值的类型
    typedef _Tp* pointer;    
    typedef _Tp& reference;    
    typedef ptrdiff_t difference_type;    // 容器种两个元素的距离，比如unsigned long
    // ...
};

五种迭代器（使用struct进行分类，而非编号）

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 bidirectional_iterator_tag {};

注意迭代器begin()指向第一个元素，end()指向最后一个元素。迭代器rbegin()和rend()实现比较巧妙

reverse_iterator rbegin() {
    return reverse_iterator(end());
}

reverse_iterator rend() {
    return reverse_iterator(begin());
}

4.2 Iterator Traits

　　理想情况下iterator应该具备以上5种能力，实际应用中，最基本的指针也是一种退化的迭代器，他不是一个类，没办法描述自己的能力，所以有必要提出一种概念：Iterator Traits迭代器的萃取器，来描述该指针具有的迭代器的特征。

　　在初始的情况下，算法直接调用传入的类来询问它具有哪些能力，但如果传入的是一个普通的指针就会失效。这里引入一个中间层来解决该问题，该中间层就是Iterator Traits。算法通过询问中间层来获取这些信息，这也是一种编程思想。

　　具体实现中非常巧妙的利用了偏特化的特性。首先看下图最下方的代码，算法调用iterator_traits并传入I来询问该迭代器对应的变量类型是什么。

如果I是一个iterator类，则会调用第1种全泛化的方法，并且返回该iterator中的类型
如果I是一个指针，则会进入第2种偏特化的方法，然后返回这个指针的类型
如果I是一个const指针，则进入第3种偏特化方法，这样算法中拿到的类型才不会是一个 const T 类型，否则就没办法操作这些值了

　　下图展现了完整的 iterator traits

4.3 iterator_category 分类对算法的影响

4.3.1 distance

　　STL中计算distance利用了函数重载的特性。__distance返回两个指针间的距离，通过第三个参数可以实现函数重载

如果该迭代器支持随机访问，则第三个参数category()会实例化一个右值，并且是random_access_iterator_tag类型，此时编译器会调用第二个重载方法
如果该迭代器不支持随机访问，则第三个参数是普通的input_iterator_tag类型，此时调用第一个重载方法，一点一点移动指针计算距离

template<class InputIterator>
inline iterator_traits<InputIterator>::difference_type
__distance(InputIterator first, InputIterator last, input_iterator_tag){
    iterator_traits<InputIterator>::difference_type n=0;
    while(first!=last)
    {    ++first; ++n;}
    return n;
}

template<class RandomAccessIterator>
inline iterator_traits<RandomAccessIterator>::difference_type
__distance(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last, random_access_iterator_tag){
    return last-first;
}

template<class InputIterator>
inline iterator_traits<InputIterator>::difference_type
distance(InputIterator first, InputIterator last){
    typedef typename iterator_traits<InputIterator>::iterator_category category;
    return __distance(first, last, category()):
}

4.3.2 copy

　　copy函数，给定来源的起点和终点，并给定目标就可以实现复制，但实际上内部实现非常复杂

如果传入的迭代器类型是字符指针，则执行memmove()函数进行拷贝，速度很快
否则进入泛化的函数__copy_dispatch()
- 如果是指针类型的迭代器，则执行__copy_t()
  - 如果拷贝指针时需要调用拷贝构造器单独处理（重写了复制构造函数）
  - 如果不需要调用拷贝构造器则直接调用memmove()
- 否则进入泛化的函数__copy()
  - 如果是普通的迭代器，则以iterator是否相等来判断是否到迭代器终点，速度较慢
  - 如果是随机访问迭代器，则用循环次数判断是否循环结束，速度快一些

template<class InputIterator, class OutputIterator>
OutputIterator copy(InputIterator first, InputIterator last, OutputIterator result){
    while(first!=last){
        *result = *first;
        ++result; ++first;
    }
    return result;
}

4.3.3 源码对迭代器的暗示

　　在算法中，由于是模板函数，所以写代码的时候编译器不会报错，但是编译中因为底层需要某种迭代器的功能来完成这个函数，所以编译到这一步时会出现问题。算法源码中会对这些迭代器用命名的方式进行暗示。例如下面暗示了需要容器有随机访问迭代器或前向迭代器

template<class RandomAccessIterator>
inline void sort(RandomAccessIterator first, RandomAccessIterator last){
    if(first!=last){
        __Introsort_loop(first, last, value_type(first), __lg(last - first)*2);
        __final_insertion_sort(first, last);
    }
}

template<class ForwardIterator>
inline void rotate(ForwardIterator first, ForwardIterator middle, ForwardIterator last){
    if(first == middle || middle == last) return;
    __rotate(first, middle, last, distance_type(first), iterator_category(first));
}

4.3.4 STL中的算法

　　STL中所有的算法都是如下类型，前两个参数提供迭代器

template<typename Iterator>
std::Algorithm(Iterator itr1, Iterator itr2, ...)
{
}

　　STL中提供的算法一般都有两种重载，一种是普通的调用，另一种提供给用户自定义的处理方式。可以自定一个函数或者函数对象传入

template<class InputIterator, class T>
T accumulate(InputIterator first, InputIterator last, T init)
{
    for(; first!=last; ++first)
        init = init + *first;
    return init;
}

template<class InputIterator, class T, class BinaryOperation>
T accumulate(InputIterator first, InputIterator last, T init, BinaryOperation binary_op)
{
    for(; first!=last; ++first)
        init = binary_op(init, *first);    // 普通的函数或者函数对象都可以被调用
    return init;
}

5.仿函数和适配器

5.1 仿函数functors

　　4.3.4小节中提到了算法允许用户自定义处理方式，自定义函数或函数对象（仿函数）传入

　　注意标准库提供的仿函数都继承了一个父类，而我们自己写的仿函数没有继承，没有继承实际上就没有融入STL的体系结构

template<class T>
struct plus : public binary_function<T, T, T> {
    T operator()(const T&x, cont T&y) const
        {return x+y;}
}

struct equal_to : public binary_function<T, T, bool>{
    bool operator()(const T&x, const T&y) const
        {return x==y;}
}

　　标准库提供了两个仿函数的可适配（adaptable）条件，STL规定所有的可适配函数都应该继承其中之一。下面一节介绍了为什么适配器必须能够回答这些问题，因为有些函数会向仿函数提出问题，这和萃取器非常类似

// 一个操作数
template<class Arg, class Result>
struct unary_function {
    typedef Arg argument_type;
    typedef Result result_type;
}

// 两个操作数
template<class Arg1, class Arg2, class Result>
struct binary_function{
    typedef Arg1 first_argument_type;
    typedef Arg2 second_argument_type;
    typedef Result result_type;
}

5.2 适配器Adapters

　　仿函数适配器的例子。count_if函数会调用第三个仿函数并传入迭代器当前指针的位置，但是less函数需要传入两个值并返回bool值，在这里count_if的调用只能传入一个值，可以使用函数适配器bind2nd来完成这个想法，bind2nd函数对象实际上包装了less函数对象，它需要传入一个函数对象（包含括号重载的处理逻辑），以及第二个值。

　　它将less函数对象保存到自己的字段中，并在每次调用bind2nd函数对象时，第一个参数是count_if传入的当前迭代器位置，而第二个位置是bind2nd初始化时传入的第二个参数，这样实现了在count_if中调用两个参数的函数对象

　　这期间，都是通过适配器完成的这一系列操作。bind2nd需要去问函数对象它的第二个参数类型是什么，binder2nd需要去问函数对象它的第返回值类型是什么，这些都是需要适配器完成的。并且在bind2nd函数对象创建binder2nd函数对象时，由于存在强制类型转换，实际上编译器会进行一些检查，如果这里不能转换就会编译失败。

int main() {
    vector<int> vi = { 40, 50, 20, 11, 23, 88, 99 };
    cout << count_if(vi.begin(), vi.end(), bind2nd(less<int>(), 40);
}
// count_if 中调用第三个仿函数 _Pred, 仅传入当前迭代器的位置
for (; _UFirst != _ULast; ++_UFirst) {
    if (_Pred(*_UFirst)) {
        ++_Count;
    }
}

// bind2nd 辅助函数, 方便用户调用 binder2nd<Op>
template<class Operation, class T>
inline binder2nd<Operation> bind2nd(const Operation& op, const T&x) {
    typedef typename Operation::second_argument_type arg2_type;    // 问适配器函数对象的第二个参数是什么类型
    return binder2nd<Operation>(op, arg2_type(x));    // 将函数对象和强制类型转换的第二个参数构造出 binder2nd 对象
}

// binder2nd
template<class Operation>
class binder2nd : public unary_function<typename Operation::first_argument, typename Operation::result_tpye> { ·
protected:
    Operation op;    // 函数对象本身, 实际上的操作逻辑
    typename Operation::second_argument_type value;
public:
    // 构造函数, 将函数对象和第二参数传入
    binder2nd(const Operation& x, const typename Operation::second_argument_type& y) : op(x), value(y) {}
    // 返回值类型是函数对象的返回值类型, 第二参数是绑定的参数, 然后调用函数对象的括号重载
    typename Operation::result_type operator() (const typename OPeration::first_argument_type &x) const {
        return op(x, value);
    }
};

　　接下来我们仍可以继续使用not1函数将他返回的bool值取反，原理也是类似的，实现很巧妙

template<class Predicate>
inline unary_negate<Predicate> not1(const Predicate& pred) {
    return unary_negate<Predicate>(pred);
}

template<class Predicate>
class unary_negate : unary_function<typename Predicate::argument_type, bool> {
protected:
    Predicate pred;
public:
    explicit unary_negate(const Predicate& x) : pred(x) {}
    bool operator() (const typename Predicate::argument_type&x) const {
        return !pred(x);
    }
};

5.3 C++11 bind

　　在新版本的C++11中，有新的适配器bind，比之前的更高级。可以绑定函数

using namespace std::placeholders;    // 占位符 _1, _2, _3, ...

double my_divide(double x, double y)
    { return x/y; }

auto fn_five = bind(my_divide, 10, 2);
cout<< fn_five() << endl;    // 5

auto fn_five = bind(my_divide, _1, 2);
cout<< fn_five(10) << endl;    // 5

auto fn_five = bind(my_divide, _2, _1);
cout<< fn_five(10, 2) << endl;    // 2/10 = 0.2 它交换了位置

auto fn_five = bind<int>(my_divide, _1, _2);
cout<< fn_five(10, 3)<< endl;    // 3（返回值类型为int）

　　同时也可以绑定函数对象、成员函数甚至成员变量

struct MyPair {
    double a,b;
    double multiply() {return a*b; }
};

MyPair ten_two {10, 2};

auto bound_menfn = bind(&MyPair::multiply, _1);
cout << bound_memfn(ten_two) << endl;    // 绑定成员函数, 输出20

auto bound_memdata = bind(&MyPair::a, ten_two);
cout << bound_memdata() <<endl;    // 绑定成员变量a, 输出 10

5.4 inserter 迭代器适配器

　　copy在算法中已经写死了，他的复制方式就是给定源的开始和终止目标，然后用覆盖的方式复制到目标位置

　　但是如果我们希望用插入的方式呢？copy函数不能修改，他就是不断移动指针和赋值的操作

list<int> foo = {1, 2, 3, 4, 5};
list<int> bar = {10, 20, 30, 40, 50};

list<int>iterator it = foo.begin();
advance(it, 3);    // 很底层的代码, 让迭代器移动3个位置

copy(bar.begin(), bar.end(), inserter(foo, it));

　　下面给出了copy中的核心代码部分

// copy中的核心代码
while(first!=last) {
    *result = *first;
    ++result; ++first;
}

　　开发人员非常巧妙的利用了运算符重载，将=运算符重载为insert插入函数，解决了这个问题

// 辅助函数, 帮助用户使用
template <class Container, class Iterator>
inline insert_iterator<Container> insert(Container& x, Iterator i) {
    typedef typename Container::iterator iter;
    return insert_iterator<Container>(i);
}

// 实际函数, 重载运算符在调用insert函数
template<class Container>
class insert_iterator {
protected:
    Container* container;
    typename Container::iterator iter;
public:
    typedef output_iterator_tag iterator_category;

    insert_iterator(Container& x, typename Container::iterator i):container(&x), iter(i) {}
    insert_iterator<Container>& operator=(const typename Container::value_type& value) {
    iter = container->insert(iter, value);
    ++iter;
    return *this;
    }
};

6 array和deque例子

以array作为例子（GNU2.9），该容器的实现中，迭代器 iterator 就是一个普通的指针，接下来进入针对指针的萃取机中

template<typename _Tp, std::size_t _Nm>
struct array
{
    typedef _Tp    value_type;
    typedef _Tp*   pointer;
    typedef value_type* iterator;    // 直接将指针定义成迭代器, 接下来算法中的萃取器会通过偏泛化获取其能力
    
    value_type _M_instance[_Nm ? _Nm : 1];
    
    iterator begin()
    { return iterator(&_M_instance[0]); }
    
    iterator end()
    { return iterator(&_M_instance[_Nm]); }
}

以deque双端队列为例子（GNU2.9），这里的 iterator 有很多复杂的动作，所以需要额外的定义该迭代器类来完成这些动作
deque底层维护了一个map数组，这个数组指向了几个分段数组。deque的迭代器类重写了++、--、*等运算符，并且自动从一个分段数组进入另一个分段数组，制造连续假象
cur：当前遍历的元素
first：当前片段的首地址
last：当前片段的尾地址
node：二级指针，指向map中的指针，该指针指向当前内存地址
map数组扩充时，如从8扩充到16的时候，会把map复制到新的map的中间部分，让左右都有冗余

template <class T, class Alloc=alloc, size_t BufSiz=0>    // 每一段buffer的大小, 新版本不能自己设置了
class deque {
public:
    typedef T value_type;
    typedef __deque_iterator<T, T&, T*, BufSiz> iterator;
protected:
    typedef pointer* map_pointer;    // T** 指向指针的指针
protected:
    iterator start;
    iterator finish;
    map_pointer map;
    size_type map_size;
public:
    iterator begin() { return start;}
    iterator end() { return finish; }
    size_type size() const { return finish - start; }
    // ...
}

stack 栈后进先出和 queue 先进先出都是 deque 的部分功能。但注意，stack 和 queue 都是特殊的容器，他们有特殊的性质，所以没有迭代器，也不允许遍历
- queue<typename _Tp, typename _Container = deque> 队列可以人为配置第二个部分容器是什么，也就是内存片段使用什么存储
- 因为要调用pop函数，这里如果使用deque或者stack都是可以的，但是如果使用vector、map、set都会有问题（编译可能通过，但是pop()会error，它们没有这种功能）

posted @ 2024-02-28 16:08 imXuan 阅读(34) 评论(0) 编辑收藏举报

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