__type_traits:双底线是说明这是SGI STL内部使用的东西,不在STL标准范围之内。iterator_traits负责萃取迭代器(iterator)的特性。而__type_traits则负责萃取型别(type)的特性。

我们所关注的型别特性是指:这个型别是否具备non-trivial defalt ctor,non-trivial copy cotr ,non-trivial assignment operator,non-trivial dtor[1] ,如果没有这些non-trivial(有意义)函数,那么我们在对这个型别进行构造、析构、拷贝、赋值操作时,就可以采用最效的措施(根本不调用那些身居高位的constructor,destructor等,而采用内存直接处理操作如malloc(),memcpy()等,获得最高效率)。

一、那么什么是trivial or non-trivial呢?

这个trivial和non-trivial是对类的四种函数来说的:

  • 构造函数(ctor)
  • 拷贝构造函数(copy)
  • 赋值函数(assignment)
  • 析构函数(dtor)

如果至少满足下面3条里的一条:

  1. 显式(explict)定义了这四种函数。
  2. 类里有非静态非POD的数据成员。
  3. 有基类。

那么上面的四种函数是non-trivial函数,比如non-trivial ctor、non-trivial copy…POD意思是Plain Old Data(普通旧数据),也就是C++的内建类型或传统的C结构体类型,POD类型必然有(trivial:无意义)trivial ctor/dtor/copy/assignment四种函数。

二、__type_traits提供了一种机制:就是在编译时观察这个型别有没有trivial函数,如果有,那么就能执行高效率的操作了,哇好开心

当我们准备对一个“元素型别未知”的数组执行copy操作时,如果我们能事先知道其元素性别是否有一个trivail copy contructor,那么就能够帮助我们是否可以使用快速的memcpy()或memmove()。即在编译时期针对不同型别完成函数派送。

我们希望程序之中可以这样运用__type_traits<T>:

 __type_traits<T>::has_trivial_default_constructor;
__type_traits<T>::has_trivial_copy_constructor;
__type_traits<T>::has_trivial_assignment_operator;
__type_traits<T>::has_trivial_destructor;
__type_traits<T>::is_POD_type;

我们希望利用响应结果来进行参数推导,而编译器只有面对class object形式的参数才会做参数推导,所以上述的返回结果应该如下:这两个classes没有任何成员,不会带来额外负担,却又能够标识真假。

struct __true_type {};

struct __false_type {};

为了达成上述五个式子,__type_traits内必须定义一些typedefs,其值不是__true_type就是__false_type:

  template <class type>
struct __type_traits {
typedef __true_type this_dummy_member_must_be_first; //为了确保万一编译器也使用一个名为__type_traits而其实与此处定义并无任何关联的template时,事情顺利工作。 typedef __false_type has_trivial_default_constructor;
typedef __false_type has_trivial_copy_constructor;
typedef __false_type has_trivial_assignment_operator;
typedef __false_type has_trivial_destructor;
typedef __false_type is_POD_type;
};

针对__false_type,由于编译器有可能为各型别自动产生专属的__type_traits特化版本,所以你可以将上述成员次序重新排列,也可以移除上述任何成员,绝对不可以在没有改变编译器对应名称的情况下对成员重新命名,只有在编译器中加上适当支持时,否则新加入成员会被视为一般成员。

SGI将所有的内嵌型别定义成__false_type,因为SGI先定义最保守的值,然后再针对每一个标量型别(scalar types)设计适当的__type_traits特化版本:

# 什么是标量型别:标量类型(Scalar type)是相对复合类型(Compound type)来说的:标量类型只能有一个值,而复合类型可以包含多个。

上述__type_traits可以接受任何型别的参数,五个typedefs将由以下管道获得实值

  • 一般具现体(general instantiation),内含对所有型别都有效的保守值,上述各个has_trivial_xxx型别都被定义为_false_type,就是对所有型别都必定有效的保守值。
# 实例化( Instantiation) 与特化( Specialization),在 template 中,「以实际值( actual values)做为 template arguments,从而产生常规的( regular)class、 function 或 member function」,这个过程称为 「 template 实例化」( template instantiation)。
这 些 随 之 产 生 的 物 体(entity ;包 括 class, function 或 member function ) 通 称为 特 化 体 ( specialization)。( 译注:我所阅读的众多泛型编程书籍中,很少将这些物体称为特化体,较 常称呼的是具现体, instantiation)
  • 经过声明的特化版本,例如<type_traits.h>内对所有C++标量型别(scalar types)提供了对应的特化版本声明(每个型别的值都是__true_type)。
  • 某些编译器(如Silicon Graphics N32和N64编译器)会自动为所有型别提供适当的特化版本(这个是真的牛逼,不过到底有没有候捷对它表示疑惑)

三、对所有C++标量型别所定义的__type_traits的特化版本,非常必要

针对C++基本型别char,signed char ,unsigend char ,short,unsigned short ,int ,unsigned int,long,unsigned long,float,double,long double提供特化版本,每个型别的值都是__true_type,表示这些型别都可以采用最快速方式来进行拷贝或赋值操作。

__STL_TEMPLATE_NULL定义为template<>即class template explicit specialization(类模板显式特化)

 //针对char的特化版本
__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<char> {
typedef __true_type has_trivial_default_constructor;
typedef __true_type has_trivial_copy_constructor;
typedef __true_type has_trivial_assignment_operator;
typedef __true_type has_trivial_destructor;
typedef __true_type is_POD_type;
};
//针对signed char的特化版本
__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<signed char> {
typedef __true_type has_trivial_default_constructor;
typedef __true_type has_trivial_copy_constructor;
typedef __true_type has_trivial_assignment_operator;
typedef __true_type has_trivial_destructor;
typedef __true_type is_POD_type;
};
//针对unsigned char的特化版本
__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<unsigned char> {
typedef __true_type has_trivial_default_constructor;
typedef __true_type has_trivial_copy_constructor;
typedef __true_type has_trivial_assignment_operator;
typedef __true_type has_trivial_destructor;
typedef __true_type is_POD_type;
};
//针对short的特化版本
__STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<short> {
typedef __true_type has_trivial_default_constructor;
typedef __true_type has_trivial_copy_constructor;
typedef __true_type has_trivial_assignment_operator;
typedef __true_type has_trivial_destructor;
typedef __true_type is_POD_type;
};
...未全部给出

注意:还有针对原生指针涉设计的__type_traits偏特化版本:原生指针也被视为一种标量型别。

 template <class T>
struct__type_traits<T*> {
typedef __true_type has_trivial_default_constructor;
typedef __true_type has_trivial_copy_constructor;
typedef __true_type has_trivial_assignment_operator;
typedef __true_type has_trivial_destructor;
typedef __true_type is_POD_type;
};

四、__type_traits的应用

1.uninitialized_fill_n()全局函数

 template <class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIteratoruninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,const T& x) {
return __uninitialized_fill_n(first, n, x, value_type(first));
}

该函数以x为蓝本,自迭代器first开始构造n个元素。为求取最大效率,首先以value_type()萃取出迭代器first的 value type,再利用__type_traits判断型别是否为POD类型

 template <class ForwardIterator, class Size, class T, class T1>
inline ForwardIterator__uninitialized_fill_n(ForwardIterator first, Size n,const T& x, T1*) {
typedef typename __type_traits<T1>::is_POD_type is_POD;
return __uninitialized_fill_n_aux(first, n, x, is_POD());
}

对于“是否是POD型别”采取最适当的措施:

  //如果是POD型别,就会派送到这里。如果copy constructor等同于assignment,而且有trivial destructor。以下就有效:
template <class ForwardIterator, class Size, class T>
inline ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIteratorfirst, Size n,
const T& x,__true_type) {
return fill_n(first, n, x); //交由高阶函数执行,如下所示
}
//以下是定义于<stl_algobase.h>中的fill_n
template <class OutputIterator, class Size, class T>
OutputIteratorfill_n(OutputIterator first, Size n, const T& value) {
for ( ; n > ; --n, ++first)
*first = value;
return first;
} //如果不是POD型别:就需要老老实实的一个一个在未初始化的内存中调用构造函数了!好伤心!
template <class ForwardIterator, class Size, class T>
ForwardIterator
__uninitialized_fill_n_aux(ForwardIteratorfirst, Size n,
const T& x,__false_type) {
ForwardIterator cur = first;
for ( ; n > ; --n, ++cur)
construct(&*cur, x);
return cur;
}

2.destroy()函数

3.copy()全局函数

这个函数有非常多的特化(speialization)与强化(refinement)版本,殚精竭虑都是为了效率考虑,希望在最适当的情况下次采用最“雷霆万钧”的手段:

 //拷贝一个数组,其元素性别为任意性别,根据情况采用最有效率的拷贝手段
template <class T>inline void copy(T* source,T* destination,int n){
copy(source,destination,n,typename __type_traits<T>::has_trivial_copy_constructor());
} //拷贝一个数组,其元素性别拥有non-trivial copy constructors(有意义拷贝构造函数)
template <class T>void copy(T* source,T* destination,int __false_type)
{...} //拷贝一个数组,其元素型别拥有trivial copy constructors
//可借助memcpy()完成工作
template <class T>void copy(T* source,T* destination,int ,__true_type)
{...}

五、自己定义类型的__type_traits

假设自行定义了一个Shape class,除了某些厉害的编译器(如Silicon Graphics N32和N64编译器),对于一般编译器,__type_traits针对Shape萃取出来的每个特性都是__false_type,即使Shape是个POD类型。这样虽然过于保守,但是别无选择,除非针对Shape,自行设计一个__type_traits版本:

 template<> struct __type_traits<Shape> {
typedef __false_type has_trivial_default_constructor;
typedef __true_type has_trivial_copy_constructor;
typedef __true_type has_trivial_assignment_operator;
typedef __true_type has_trivial_destructor;
typedef __false_type is_POD_type;
};

究竟什么时候一个class该有自己non-trivial_xxx,即如果class内含指针成员,并且对它进行内存动态配置,那么这个class就需要实现自己的non-trivial-xxx

六、总结

有了__type_traits,即使你不能针对自己定义的型别,设计__type_traits特化版本,但是对于C++标量型别,我们可以采用最有效的拷贝或赋值操作,因为每个标量型别都有对应的__type_traits版本,其中每个typedef的值都是__true_type。

 七、参考文献

[1].https://freezhongzi.info/index.php/2012/11/09/c-trivial%e5%92%8cnon-trivial%e6%9e%84%e9%80%a0%e5%87%bd%e6%95%b0%e5%8f%8apod%e7%b1%bb%e5%9e%8b/

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