STL——配接器(adapters)

一、配接器

《Design Patterns》一书提到23个最普及的设计模式，其中对adapter样式的定义如下：将一个class的接口转换为另一个class 的接口，使原本因接口不兼容而不能合作的classes，可以一起运作。

1. 配接器概观与分类

STL 所提供的各种配接器中，改变仿函数接口者，我们成为function adapter；改变容器接口者，我们称为container adapter；改变迭代器接口者，我们称为iterator adapter。

1.1 应用于容器——container adapter

STL提供的两个容器queue和stack，其实都只不过是一种配接器，它们修饰deque 的接口而成就出另一种容器风貌。

1.2 应用于迭代器——iterator adapter

STL提供了许多应用于迭代器身上的配接器，包括insert iterators, reverse iterators, iostream iterators。C++ Standard 规定它们的接口可以藉由<iterator> 获得，SGI STL 则将它们实际定义于<stl_iterator.h>.

（1）Insert Iterators

所谓Insert Iterators，可以将一般迭代器的赋值操作转变为插入操作。这样的迭代器包括专司尾端插入操作的back_insert_iterator，专司头端插入操作的front_insert_iterator，以及可从任意位置执行插入操作的insert_iterator。由于这三个iterator adapters 的使用接口不是十分直观，给一般用户带来困扰，因此，STL 更提供了三个相应函数：back_inserter(), front_inserter(), inserter(), 提升使用时的便利性。

（2）Reverse Iterators

所谓reverse iterators ，可以将一般迭代器的行进方向逆转，使原本应该前进的operator++变成后退操作，使原本应该后退的operator--变成前进操作。

（3）IOStream Iterators

所谓iostream iterators 可以将迭代器绑定到某个iostream对象身上。例如，绑定到istream对象（如std::cin）身上的，称为istream_iterator,拥有输入功能；也可以绑定到ostream对象身上。

1.3 应用于仿函数——functor adapters

functor adapters，或叫做function adapters，是所有配接器中数量最庞大的一个族群，其配接灵活度也是前二者所不能及，可以配接，配接，再配接。这些配接操作包括绑定（bind），否定（negate），组合（compose），以及对一般函数或成员函数的修饰（使其成为一个仿函数）。C++ Standard 规定这些配接器的接口可由<functional>获得，SGI STL 则将它们实际定义于<stl_function.h>。

function adapters的价值在于，通过它们之间的绑定、组合、修饰能力，几乎可以无限制地创造出各种可能的表达式，搭配STL算法一起演出。例如，我们可能希望找出某个序列中所有不小于12 的元素个数，那么可以这么做：

not1(bind2nd(less<int>(), ));       //（1） less<int>(), 创建一个匿名的临时对象（同时也是仿函数）

又如：我们希望将容器内的每一个元素v进行(v+2)*3 的操作，我们可以令f(x) = x * 3, g(y) = y + 2;并 写下这样的式子：

compose1(bind2nd(multiplies<int>(), ), bind2nd(plus<int>(), )); // （2）第一个参数被拿来当做f(), 第二个参数被拿来当做g(). 

// f(g(elem)); 可以写成：compose1(f(x), g(y));

上面（2）表达式，可以拿来和任何接受表达式的算法搭配。不过，务请注意，这个算式会改变参数的值，所以不能和non-mutating算法搭配。例如不能和for_each搭配，但可以和transform搭配，将结果输往另一地点。

请注意，所有期望获得配接能力的组件，本身都必须是可配接的（adaptable）。换句话说，一元仿函数必须继承自unary_function,二元仿函数必须继承自binary_function，成员函数必须以mem_fun处理过，一般函数必须以ptr_fun处理过。一个未经ptr_fun处理过的一般函数，虽然也可以函数指针（pointer to function）的形式传给STL算法使用，却无法拥有任何配接能力。

图8-2是STL function adapters一览表

2. container adapters

stack和queue，参见相关源码

3. Iterator adapters

3.1. insert iterators

insert iterators 的实现中，其中的主要观念是，每一个insert iterators 内部都维护有一个容器（必须由用户指定）；容器当然有自己的迭代器，于是，当客户端对insert iterators做赋值操作时，就在insert iterators中被转为对该容器的迭代器做插入操作，也就是说，在insert iterators的operator=操作符中调用底层容器的push_front()或push_back()或insert()操作函数。至于其他的迭代器惯常行为如 operator++， operator++(int), operator* 都被关闭功能，更没有提供 operator--(int) 或 operator--或 operator->等功能（因此类型被定义为output_iterator_tag）。换句话说，insert iterators的前进、后退、取值、成员取用等操作都是没有意义的，甚至是不允许的。 参见相关源码；

3.2. reverse iterators

reverse iterator， 就是将迭代器的移动行为逆转。只要是双向序列容器提供了begin(), end() ，它的rbegin(), rend() 就是使用reverse iterator。单向序列容器slist 不可使用reverse iterators。有些容器如stack，queue，priority_queue并不提供begin(), end()，当然也就没有rbegin(), rend()。 当迭代器被逆转，虽然实体位置不变，但逻辑位置必须改变。逆转时，会为了配合迭代器区间的“前闭后开”的特性作相应的调整。 参见相关源码；

3.3. stream iterators

stream iterators，可以将迭代器绑定到一个stream（数据流）对象身上。绑定到istream对象（如std::cin）者，称为istream_iterator，拥有输入能力；绑定到ostream对象（如std::cout）者，称为ostream_iterator，拥有输出能力。 参见相关源码；

4. function adapters

　　一般而言，对于C++ template 语法有了某种程度的了解之后，我们很能够理解或想象，容器是以class template 完成的，算法以function template 完成，仿函数是一种将 operator() 重载的 class template，迭代器则是一种将 operator++ 和 operator* 等指针惯常行为重载的class template。然而配接器呢？应用于容器身上和迭代器身上的配接器，已于上面介绍过，都是一种 class template。可应用于仿函数身上的配接器呢？如果能够“事先”对一个函数完成参数的绑定、执行结果的否定、甚至多方函数的组合？请注意我用“事先”一词。我的意思是，最后修饰结果（视为一个表达式，expression）将被传给STL算法使用，STL算法才是真正使用这个表达式的主格。而我们都知道，只有在真正使用（调用）某个函数（或仿函数）时，才有可能对参数和执行结果做任何干涉。

那么仿函数怎么实现对参数和返回值的干涉呢？关键在于，就像本章先前所揭示，container adapters 内藏了一个container memeber 一样，或是像reverse iterator（adapters）内藏了一个pointer to stream一样，或是像insert iterator（adapters）内藏了一个pointer to container（并因而得以取其iterator）一样，每一个function adapters 也内藏了一个member object，其型别等同于它所要配接的对象（那个对象当然是一个“可配接的仿函数”，adaptable functor），下图8-6是一份整理。当function adapter 有了完全属于自己的一份修饰对象（的副本）在手的时候，它就成了该修饰对象（的副本）的主人，也就有资格调用该修饰对象（一个仿函数），并在参数和返回值上面动手脚了。

binder2nd 中，构造函数中的x参数是仿函数；operator() 运算子中的参数x是 当运算子operator() 被调用时 由调用者传递进来的第一个参数。

4.1 对返回值进行逻辑否定：

not1， not2 参见相关源码；

4.2 对参数进行绑定：bind1st，bind2nd 参见相关源码；

4.3 用于函数合成：compose1， compose2

compose1，对两个可配接函数f(), g()， 产生一个h(), 使 h(x) = f(g(x))；

compose2，对三个可配接函数f(), g1(), g2()， 产生一个h(), 使 h(x) = f(g1(x)， g2(x))；

参见相关源码；

4.4 用于函数指针：ptr_fun 参见相关源码；

4.5 用于成员函数指针：mem_fun， mem_fun_ref

这种配接器使我们能够将成员函数当做仿函数来使用，于是成员函数可以搭配各种泛型算法。当容器的元素型式是X& 或X* ，而我们又以虚拟成员函数作为仿函数，便可以藉由泛型算法完成所谓的多态调用。这是泛型与多态之间的一个重要接轨。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <functional>

using namespace std;

class Shape
{
public:
    virtual void display() = ;
};

class Rect : public Shape
{
public:
    virtual void display() { cout << "Rect"; };
};
class Circle : public Shape
{
public:
    virtual void display() { cout << "Circle"; };
};
class Square : public Rect
{
public:
    virtual void display() { cout << "Square"; };
};

int main()
{
　　// 容器只支持对象语义,不支持引用语义
    vector<Shape*> V;
    V.push_back(new Rect);
    V.push_back(new Circle);
    V.push_back(new Square);
    V.push_back(new Circle);
    V.push_back(new Rect);

    // 多态调用(polymorphically)
    for(int i = ; i < V.size(); ++i)
        (V[i])->display();
    cout << endl;        // Rect Circle Square Circle Rect

    //
    for_each(V.begin(), V.end(), mem_fun(&Shape::display));
    cout << endl;      // Rect Circle Square Circle Rect
}

(1)请注意，就语法而言，你不能写：

for_each(V.begin(), V.end(), &Shape::display); 

也不能写：

for_each(V.begin(), V.end(), Shape::display);

一定要以配接器mem_fun 修饰 member function，才能被算法for_each接受。

(2)另一个必须注意的是，虽然多态可以对pointer或reference起作用，但很可惜的是，STL容器只支持“实值语意”，不支持“引用语意”，因此下面这样无法通过编译： vector<Shape&> V; 参见STL概论 提示17-9；