STL之__ type_traits

__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/