Boost源码剖析之：型别分类器——type_traits
作者：互联网
动机
1． 分派
下面有一个模板函数，假设一个动物收容组织提供了它，他们接受所有无家可归的可怜的小动物，于是他们向外界提供了一个函数接受注册。函数看起来像这样：
template<class T> //T表示接受的是何种动物
void AcceptAnimals(T animal)
{
... //do something
};
但是，如果他们想将猫和狗分开处理(毕竟饲养一只猫和饲养一只狗并不相同。他们可能会为狗买一根链子，而温顺的猫则可能不需要)。一个可行的方法是分别提供两个函数：AcceptDog和AcceptCat，然而这种解决办法并不优雅(想想看，注册者可能既有一只猫又有一只狗，这样他不得不调用不同的函数来注册，而且，如果种类还在增多呢，那样会导致向外提供的接口的增多，注册者因此而不得不记住那些烦琐的名字，而这显然没有只需记住AccpetAnimal这一个名字简单)。如果想保持这个模板函数，并将它作为向外界提供的唯一接口，则我们需要某种方式来获取型别T的特征(trait)，并按照不同的特征来采用不同的策略。这里我们有第二个解决办法：
约定所有的动物类(如class Cat,class Dog)都必须在内部typedef一个表明自己身份的型别，作为标识的型别如下：
struct cat_tag{}; //这只是个空类，目的是激发函数重载，后面会解释
struct dog_tag{}; //同上
于是，所有狗类都必须像这样：
class Dog
{
public:
typedef dog_tag type; //型别(身份)标志，表示这是狗类，如果是猫类则为typedef cat_tag type;
...
}
然后，动物收容组织可以在内部提供对猫狗分开处理的函数，像这样：
template<class T>
void Accept(T dog,dog_tag) //第二个参数为无名参数，只是为了激发函数重载
{...}
template<class T>
void Accpet(T cat,cat_tag) //同上
{...}
于是先前的Accept函数可以改写如下：
template<class T>
void Accept(T animal) //这是向外界提供的唯一接口
{
1 Accept(animal,typename T::type()); //如果T为狗类，则typename T::type就是dog_tag，那么
//typename T::type()就是创建了一个dog_tag类的临时对象，
//根据函数重载的规则，这将调用Accept(T,dog_tag)的版本，
//这正是转向处理狗的策略
//如果T为猫类，则typename T::type为cat_tag，由上面的推导，
//这将调用Accept(T,cat_tag)的版本，转向处理猫的策略
} //typename 关键字告诉编译器T::type是个型别而不是静态成员
所有型别推导，函数重载，都在编译期完成，你几乎不用耗费任何运行期成本(除了创建dog_tag,cat_tag临时对象的成本，然而经过编译器的优化，这种成本可能也会消失)就拥有了可读性和可维护性高的代码。“但是，等等！”你说：“traits在哪？”，typename T::type其实就是traits，只不过少了一层封装而已，如果像这样作一些改进：
template<typename T>
struct AnimalTraits
{
typedef T::type type;
};
于是1处的代码可以写成Accept(animal,typename AnimalTraits<T>::type());
2． 效率
通常为了提高效率，为某种情况采取特殊的措施是必要的，例如STL里面的copy，原型像这样：
template<typename IterIn,typename IterOut>
IterOut copy(IterIn first,IterIn last,IterOut dest){//将[first,last)区间内的元素拷贝到以dest开始的地方
return copy_opt(first,last,dest,ptr_category(first,dest)); //ptr_category用来萃取出迭代器的类别以进行
//适当程度的优化
}
copy_opt有两个版本，其中一个是针对如基本型别的数组作优化的，如果拷贝发生在char数组间，那么根本用不着挨个元素赋值，基于数组在内存中分布的连续性，可以用速度极快的memmove函数来完成。ptr_category有很多重载版本，对可以使用memmove的情况返回一个空类如scalar_ptr的对象以激发函数重载。其原始版本则返回空类non_scalar_ptr的对象。copy_opt的两个版本于是像这样：
template<typename IterIn,typename IterOut>
IterOut copy(IterIn first,IterIn last,IterOut dest,scalar_ptr){ ...} //使用 memmove
template<typename IterIn,typename IterOut>
IterOut copy(IterIn first,IterIn last,IterOut dest,non_scalar_ptr){ ...} //按部就班的逐个拷贝
其实通常为了提高效率，还是需要分派。
3． 使某些代码能通过编译
这或许令人费解，原来不能通过编译的代码，经过traits的作用就能编译了吗？是的，考虑std::pair的代码(为使代码简洁，忽略大部分)：
template <typename T1, typename T2>
struct pair
{
T1 first;
T2 second;
2 pair(const T1 & nfirst, const T2 & nsecond) //如果T1或T2本身是引用，则编译错误，因为没有“引
:first(nfirst), second(nsecond) { } //用的引用”(C++之父Bjarne Stroustrup已经向C++标准
... //委员会提交一份提案建议将“引用的引用”看作“引用”，
}; //或许以后这会合法化)。
这里可以使用一个traits(boost库里面的名字为add_reference)来避免这样的错误。这个traits内含一个typedef，如果add_reference<T>的T为引用，则typedef T type;如果不是引用，则typedef T& type;这样，2处的代码可写成：
pair(add_reference<const T1>::type nfirst,add_reference<const T2>::type nsecond)。
这对所有的型别都能通过编译。
Boost库中的Traits
Boost中的Traits十分完善，可分为几大类：1. Primary Type Categorisation(初级型别分类) 2. Secondary Type Categorisation(次级型别分类) 3. Type Properties(型别属性) 4. Relationships Between Types(型别间关系) 5. Transformations Between Types(型别间转换) 6. Synthesizing Types(型别合成) 7. Function Traits(函数traits)
由于其中一些traits只是简单的模板偏特化，故不作介绍，本文仅介绍一些技术性较强的traits。由于traits的定义往往重复代码较多，所以必要时本文仅剖析其底层机制。所有源码均摘自相应头文件中，为使源码简洁，所有的宏均已展开。由于traits技巧与编译平台息息相关，某些平台可能不支持模板偏特化。这里我们假设编译器是符合C++标准的。在我的VC7.0上，以下代码均通过编译并正常工作。
1. 初级型别分类
is_array<>(boost/type_traits/is_array.hpp)
定义
template<typename T> is_array{static const bool value=false;}; //缺省
template<typename T,size_t N> is_array<T[N]>{static const bool value=true;}; //偏特化
注解
C++标准允许整型作为模板参数，上面的N就是这样。这也说明出现在模板偏特化版本中的模板参数(在本例中为typename T,size_t N两个)个数不一定要跟缺省的(本例中为typename T一个)相同,但是出现在类名称后面的参数个数却要跟缺省的个数相同(is_array<T[N]>，T[N]为一个参数,与缺省的相同)。
is_array<int [10]>::value //true,with T=int,N=10，使用偏特化版本
is_array<int>::value //false,with T=int ，使用缺省版本
is_class<>(.../is_class.hpp) //省略前面的boost/type_traits，下同
定义
template <typename T>
struct is_class_impl //底层实现，原因是根据不同的编译环境可能有不同的底层实现，我的编译环境
{ //为VC7.0，其他底层实现从略。
template <class U> static ::boost::type_traits::yes_type is_class_tester(void(U::*)(void));
template <class U> static ::boost::type_traits::no_type is_class_tester(...); //...表示任意参数列表
static const bool value = ::boost::type_traits::ice_and< //ice_and<>相当于逻辑与
3 sizeof(is_class_tester<T>(0)) == sizeof(::boost::type_traits::yes_type),
::boost::type_traits::ice_not< ::boost::is_union<T>::value >::value //is_union<>的判断需要编译器
>::value //的支持,可当作总为false
};
template<typename T>
struct is_class
{
static const bool value=is_class_impl<T>::value; //所有实现都在is_class_imp中
};
注解
::boost::type_traits::yes_type为一个typedef: typedef char yes_type; 所以sizeof(yes_type)为1.
::boost::type_traits::no_type为一个struct: struct no_type{char padding[8]; };sizeof(no_type)为8。
他们一般被用作重载函数的返回值型别，这样通过检查返回值型别的大小就知道到底调用了哪个函数，他们被定义在boost/type_traits/detail/yes_no_type.hpp中。
is_class_impl中有两个static函数，第一个函数仅当模板参数U是类时才能够被具现化，因为它的参数类型是void(U::*)(void)，即指向成员函数的指针。第二个函数具有不定量任意参数列表，C++标准说只有当其它所有的重载版本都不能匹配时，具有任意参数列表的重载版本才会被匹配。所以，如果T为类，则void (T::*)(void)这种型别就存在，所以对is_class_tester<T>(0)的重载决议将是调用第一个函数，因为将0赋给任意型别的指针都是合法的。而如果T不是类，则就不存在void(T::*)(void)这种指针型别，所以第一个函数就不能具现化，这样,对is_class_tester<T>(0)的重载决议结果只能调用第二个函数。
现在注意3处的表达式sizeof(is_class_tester<T>(0))==sizeof(boost::type_traits::yes_type)。按照以上的推论，如果T为类，is_class_tester<T>(0)实际调用第一个重载版本，返回yes_type，则表达式评估为true。如果T不是类，则is_class_tester<T>(0)调用第二个重载版本，返回no_type，则表达式评估为false。这正是我们想要的。一个值得注意的地方是：在sizeof的世界里，没有表达式被真正求值,编译器只推导出表达式的结果的型别，然后给出该型别的大小。对于sizeof(is_class_tester<T>(0))编译器实际并不调用函数的代码来求值，而只关心函数的返回值型别。所以声明该函数就够了。另一个值得注意之处是is_class_tester的两个重载版本都用了模板函数的形式。第一个版本用模板形式的原因是如果不那样做，而是这样static yes_type is_class_tester(void(T::*)(void));则当T不是类时，该traits将不能通过编译，原因很简单，当T不是类时void (T::*)(void)根本不存在。然而，使用模板时，当T不是类时该重载版本会因不能具现化而根本不编译，C++标准允许不被使用的模板不编译(具现化)。这样编译器就只能使用第二个版本，这正合我们的意思。而第二个版本为模板是因为第一个版本是模板，因为在3处对is_class_tester的调用是这样的：is_class_tester<T>(0)，如果第二版本不是模板则这样代码只能解析为对is_class_tester模板函数(即第一个版本)的调用，重载解析也就不复存在。
“等等！”你意识到了一些问题：“模板函数的调用可以不用显式指定模板参数！”好吧，也就是说你试图这样写：
template <class U> static ::boost::type_traits::yes_type is_class_tester(void(U::*)(void)); //模板
static ::boost::type_traits::no_type is_class_tester(...); //非模板
然后在3标记的那一行这样调用：is_class_tester(0)(原来是is_class_tester<T>(0))，是的，我得承认，这的确构成了函数重载的条件，也的确令人欣喜的通过了编译，然而结果肯定不是你想要的！你会发现对所有型别is_class<ANYTYPE>::value现在都是0。也就是说，编译器总是调用is_class_tester(..);这是因为，当调用的函数的所有重载版本中有一个或多个为模板时，编译器首先要尝试进行模板函数具现化而非重载决议，而在尝试具现化的过程中，编译器会进行模板参数推导，0的型别被编译器推导为int(0虽然可以赋给指针，但0的型别不可能被推导为指针型别，因为指针型别可能有无数种，而事实上C++是强类型语言，对象只能属于某一种型别)，而第一个函数的参数型别void (U::*)(void)根本无法与int匹配(因为如果匹配了，那么模板参数U被推导为什么呢?)。所以第一个版本具现化失败后编译器只能采用非模板的第二个版本。结果如你所见，是令人懊恼的。然而如果你写的是is_class_tester<T>(0)你其实是显式具现化了is_class_tester每一个模板函数(除了那些不能以T为模板参数具现化的)，而它们都被列入接受重载决议的侯选单，然后编译器要做的就只剩下重载决议了。(关于编译器在含有模板函数的重载版本时是如何进行重载决议的,可参见C++ Primer的Function Templates一节，里面有极其详细的介绍)。
以上所将的利用函数重载来达到某些目的的技术在type_traits甚至整个Boost库里多处用到。
初级型别分类还有：is_void<>,is_integral<>,is_float<>,is_pointer,is_reference<>,is_union<>,is_enum<>,
is_function<>。请参见Boost提供的文档。
2.次级型别分类
is_member_function_pointer<>(.../is_member_function_pointer.hpp)
定义(.../detail/is_mem_fun_pointer_impl.hpp)
template <typename T>
struct is_mem_fun_pointer_impl //缺省版本
{
static const bool value = false;
};
template <class R, class T > //偏特化版本,匹配无参数的成员函数
struct is_mem_fun_pointer_impl<R (T::*)() > { static const bool value = true; };
template <class R, class T , class T0> //匹配一个参数的成员函数
struct is_mem_fun_pointer_impl<R (T::*)( T0) > { static const bool value = true; };
.etc. ... //其它版本只是匹配不同参数个数的成员函数的偏特化而已，参见源文件。
template<class T>
struct is_mem_function_pointer
{ static const bool value=is_mem_fun_pointer_impl<T>::value; };
注解
假设你有一个类X，你这样判断：is_mem_function_pointer<int (X::*)(int)>::value;则编译器先将
is_mem_function_pointer的模板参数class T推导为int (X::*)(int)，然后将其传给is_mem_fun_pointer_impl
，随后编译器寻找后者的偏特化版本中最佳匹配项为is_mem_fun_pointer_impl<R(T::*)(T0)>其中R=int,
T=X,T0=int。该偏特化版本的value=true;
次级型别分类还有：is_arithmetic<>,is_fundamental<>,is_object<>,is_scalar<>,is_compound<>。请参见
Boost提供的文档。
转自：http://blog.sina.com.cn/s/blog_587844db010003pz.html
标签：函数,void,分类器,traits,源码,type,class,模板 来源： https://www.cnblogs.com/Glucklichste/p/12903702.html