C++模板编程中的Traits技术

http://blog.csdn.net/buleriver/article/details/5711076
http://www.cppblog.com/woaidongmao/archive/2008/11/09/66387.html
由于C++不支持type_of，所以Traits技术，实际上就是通过通过模板中的类型推导机制，获取到变量的类型，以其在编译器确定函数的调用。STL中的迭代器就广泛的运用到该技术。下面是一个简单的例子：

凡是一个迭代器，我们总是希望能够知道它所指的数据的数据类型，我们可以这样做：

[c-sharp]
view plaincopy

template <class T>
class Iterator
{
public:
typedef typename T::value_type value_type;
// ...
};

当然，这需要我们用到迭代器的类，定义一个value_type，否则会编译不过。



然后，无论我们在什么地方用到迭代器，我们总是可以知道它所指的数据类型：

[c-sharp]
view plaincopy

Iterator::value_type value;



但是这样的写法有一个缺陷，就是：指针也是一种迭代器，但是却不是类，因此我们便无法得知指针指向的是什么元素。为此引入Traits技术，在原来的迭代器类上面再加一层：

[c-sharp]
view plaincopy

template <class Iter>
class Iterator_Traits
{
public:
typedef typename Iter::value_type value_type;
};

这样，我们就可以得知一个迭代器所指的类型：

[c-sharp]
view plaincopy

Iterator_Traits<Iterator>::value_type value;



而对于指针，可以使用模板中的偏特化技术：

[c-sharp]
view plaincopy

template <class T>
class Iterator_Traits<T *>
{
public:
typedef T value_type;
};

template <class T>
class Iterator_Traits<const T *>
{
public:
typedef T value_type;
};



因此，模板编程中的Traits技术，其实就是“萃取”出变量类型。



还可以写一个辅助函数：

[c-sharp]
view plaincopy

template <class Iter>
Iterator_Traits<Iter> value_type(Iter iter)
{
return static<Iterator_Traits<Iter>::value_type*>(0);
}

这样，我们在写程序的时候，可以把程序写成两层：

[c-sharp]
view plaincopy

// 第一层
template <class Iter>
void Function(Iter I)
{
_Function(I, value_type(I));
}

// 第二层: 根据不同的数据类型，做不同的处理
template <class Iter>
void _Function(Iter I, int)
{
// ....
}

template <class Iter>
void _Function(Iter I, char)
{
// ....
}

概述:

traits是一种特性萃取技术,它在Generic Programming中被广泛运用,常常被用于使不同的类型可以用于相同的操作,或者针对不同类型提供不同的实现.traits在实现过程中往往需要用到以下三种C++的基本特性:

enum

typedef

template (partial) specialization

其中:

enum用于将在不同类型间变化的标示统一成一个,它在C++中常常被用于在类中替代define,你可以称enum为类中的define;

typedef则用于定义你的模板类支持特性的形式,你的模板类必须以某种形式支持某一特性,否则类型萃取器traits将无法正常工作.看到这里你可能会想,太苛刻了吧?其实不然,不支持某种特性本身也是一种支持的方式(见示例2,我们定义了两种标示,__xtrue_type和__xfalse_type,分别表示对某特性支持和不支持).

template (partial) specialization被用于提供针对特定类型的正确的或更合适的版本.

借助以上几种简单技术,我们可以利用traits提取类中定义的特性,并根据不同的特性提供不同的实现.你可以将从特性的定义到萃取,再到traits的实际使用统称为traits技术,但这种定义使得traits显得过于复杂,我更愿意将traits的定义限于特性萃取,因为这种定义使得traits显得更简单,更易于理解,^_^.

举例:

上面提到过,traits可被用于针对不同类型提供不同的实现,那么下面就举两个例子来说明如何实现这一点.

Example 1:

假定我们需要为某个类设计一个可以对所有类型(包括普通的int/long...,提供了clone方法的复杂类型CComplexObject,及由该类派生的类)进行操作的函数clone,下面,先用OO的方法来考虑一下解决方案.看到前面的条件,最先跳进你脑子里的肯定是Interface,pure
virtual function等等.对于我们自己设计的类CComplexObject而言,这不是问题,但是,对于基本数据类型呢?还有那些没有提供clone方法的复杂类型呢?(这时候你可能会想,要是Java该多easy,所有类都默认从Object派生,而Object已提供了一个默认的clone方法,但是,要使类真正支持clone,还必须implements
Cloneable,所以,同样也不能避免这里遇到的麻烦).

下面是一个可能的解决方案:

template <typename T,
bool isClonable>

class XContainer

[b]{

...[/b]

void clone(T* pObj)

[b] {[/b]

if (isClonable)

[b] {[/b]

pObj->clone();

[b] }[/b]

else

[b] {[/b]

//... non-Clonable algorithm ...

}

[b] }

};[/b]

但是只要你测试一下,这段代码不能通过编译.为什么会这样呢?原因很简单:对于没有实现clone方法的非Clonable类或基本类型,pObj->clone这一句是非法的.

那么怎样解决上面的这个难题呢?上面不能通过编译的代码告诉我们,要使我们的代码通过编译,就不能使非Clonable类或基本类型的代码中出现pObj->clone,即我们需要针对不同类型提供不同的实现.为了实现这一点,我们可以在我们的模板类中用enum定义一个trait,以标示类是否为Clonable类,然后在原模板类内部引入一个traits提取类Traits,通过对该类进行specilizing,以根据不同的trait提供不同的实现.具体实现如下:

#include <iostream>

using namespace std;

class CComplexObject // a demo class

{

public:

void clone() { cout << "in clone"
<< endl; }

[b]};[/b]

// Solving the problem of choosing method to call by inner traits class

template <typename T,
bool isClonable>

class XContainer

[b]{[/b]

public:

enum {Clonable = isClonable};

void clone(T* pObj)

[b] {[/b]

Traits<isClonable>().clone(pObj);

[b] }[/b]

template <bool flag>

class Traits

[b] {

};[/b]

template <>

class Traits<true>

[b] {[/b]

public:

void clone(T* pObj)

[b] {[/b]

cout << "before cloning Clonable type" << endl;

pObj->clone();

cout << "after cloning Clonable type" << endl;

[b] }

};[/b]

template <>

class Traits<false>

[b] {[/b]

public:

void clone(T* pObj)

[b] {[/b]

cout << "cloning non Clonable type" << endl;

[b] }

};

};[/b]

void main()

[b]{[/b]

int* p1 = 0;

CComplexObject* p2 = 0;

XContainer<int, false>
n1;

XContainer<CComplexObject, true>
n2;

n1.clone(p1);

n2.clone(p2);

[b]}[/b]

编译运行一下,上面的程序输出如下的结果:

doing something non Clonable

before doing something Clonable

in clone

after doing something Clonable

这说明,我们成功地根据传入的isClonable模板参数为模板实例选择了不同的操作,在保证接口相同的情况下,为不同类型提供了不同的实现.

Example 2:

我们再对上面的例子进行一些限制,假设我们的clone操作只涉及基本类型和CComplexObject及其派生类,那么我们可以进一步给出下面的解法:

#include <iostream>

using namespace std;

struct __xtrue_type { }; // define two mark-type

struct __xfalse_type { };

class CComplexObject // a demo class

{

public:

virtual void clone() { cout << "in clone"
<< endl; }

[b]};[/b]

class CDerivedComplexObject : public CComplexObject // a demo derived class

{

public:

virtual void clone() { cout << "in derived clone"
<< endl; }

[b]};[/b]

// A general edtion of Traits

template <typename T>

struct Traits

[b]{[/b]

typedef __xfalse_type has_clone_method; // trait 1: has clone method or not? All types defaultly has no clone method.

};

// Specialized edtion for ComplexObject

template <>

struct Traits<CComplexObject>

[b]{[/b]

typedef __xtrue_type has_clone_method;

[b]};[/b]

template <typename T>

class XContainer

[b]{[/b]

template <typename flag>

class Impl

[b] {

};[/b]

template <>

class Impl <__xtrue_type>

[b] {[/b]

public:

void clone(T* pObj)

[b] {[/b]

pObj->clone();

[b] }

};[/b]

template <>

class Impl <__xfalse_type>

[b] {[/b]

public:

void clone(T* pObj)

[b] {

}

};[/b]

public:

void clone(T* pObj)

[b] {[/b]

Impl<Traits<T>::has_clone_method>().clone(pObj);

[b] }

};[/b]

void main()

[b]{[/b]

int* p1 = 0;

CComplexObject c2;

CComplexObject* p2 = &c2;

CDerivedComplexObject c3;

CComplexObject* p3 = &c3;
// you must point to a derived object by a base-class pointer,

//it's a little problem

XContainer<int> n1;

XContainer<CComplexObject> n2;

XContainer<CComplexObject> n3;

n1.clone(p1);

n2.clone(p2);

n3.clone(p3);

[b]}[/b]

现在,所有基本类型以及CComplexObject类系都可以用于XContainer了.

结语:

看到这里,你或许会说,traits不过如此,还以为是什么高深的玩意呢!其实技术就是这样,说白了都很Easy,关键是怎么将他们用于实际,为实际的Designing/Development服务.毕竟,在IT领域,不能应用于实际的技术是没有价值的.