week1-2

第1-2周 SGI STL的学习

作业相关

STL简单概述

1. STL组成由以下6个部分组成

   1. 容器（Container）
   2. 空间配置器（allocator）
   3. 算法（Algorithm）
   4. 迭代器（Iterator）
   5. 仿函数（Function object）
   6. 适配器（Adaptor）

2. STL六大组件内在联系

   1. 空间分配器 为 容器 分配内存空间。

      注意：无论是为什么类型分配内存，分配器都 只是分配内存，而不执行构造函数

   2. 算法 只关心具体的做法，而不关心是什么 容器 。所以需要 迭代器 作为 容器 与 算法 的桥梁，将两者连接起来。
   3. 算法 中会常常搭配 仿函数 来更好的完成其工作
   4. 适配器 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 class，可以一起运作。
   5. 容器 所使用的 迭代器，其相当一部分操作是在 容器 内实现的。

详细信息

1. 配置器

   1. 容器使用配置器来进行内存空间的 分配、 释放，其相关头文件为stl_alloc.h等。
      空间分配器有两种:
      1. 第一级分配器__malloc_alloc_template，即时分配即时释放，
      2. 第二级分配器__default_alloc_template，小型内存池。 这两种分配方式各有各的好坏。
   2. 容器中通过调用配置器的静态函数来 分配、释放 内存，而配置器则在底层调用malloc和free来满足用户需求。

2. 迭代器

   1. 迭代器的本质就是"指针"，只不过这个指针有点特别，它比较智能。
   2. 算法通过迭代器来对容器进行操作，使算法不必了解容器本身的结构。
   3. 迭代器探幽

      1. 迭代器的相关实现 (源码位于stl_iterator.h和stl_iterator_base.h)

         template <class _Category, class _Tp, class _Distance = ptrdiff_t,
             class _Pointer = _Tp *, class _Reference = _Tp &>
             struct iterator {
             typedef _Category  iterator_category;   // 迭代器的种类
             typedef _Tp        value_type;          // 迭代器所指对象的类型
             typedef _Distance  difference_type;     // 两两迭代器之间，距离的类型
             typedef _Pointer   pointer;             // 迭代器所指对象的指针
             typedef _Reference reference;           // 迭代器所指对象的引用
         };

      2. 迭代器又细分为以下几种类型

         // 迭代器的tag。对应类型的迭代器中，其iterator_category就是对应的tag
         struct input_iterator_tag {};
         struct output_iterator_tag {};
         struct forward_iterator_tag : public input_iterator_tag {};
         struct bidirectional_iterator_tag : public forward_iterator_tag {};
         struct random_access_iterator_tag : public bidirectional_iterator_tag {};
         
         // 输入迭代器
         template <class _Tp, class _Distance> struct input_iterator {
             typedef input_iterator_tag iterator_category;
             typedef _Tp                value_type;
             typedef _Distance          difference_type;
             typedef _Tp* pointer;
             typedef _Tp& reference;
         };
         // 输出迭代器
         struct output_iterator {
             typedef output_iterator_tag iterator_category;
             typedef void                value_type;
             typedef void                difference_type;
             typedef void                pointer;
             typedef void                reference;
         };
         // 正向迭代器
         template <class _Tp, class _Distance> struct forward_iterator {
             typedef forward_iterator_tag iterator_category;
             typedef _Tp                  value_type;
             typedef _Distance            difference_type;
             typedef _Tp* pointer;
             typedef _Tp& reference;
         };
         
         // 双向迭代器
         template <class _Tp, class _Distance> struct bidirectional_iterator {
             typedef bidirectional_iterator_tag iterator_category;
             typedef _Tp                        value_type;
             typedef _Distance                  difference_type;
             typedef _Tp* pointer;
             typedef _Tp& reference;
         };
         // 随机访问迭代器
         template <class _Tp, class _Distance> struct random_access_iterator {
             typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
             typedef _Tp                        value_type;
             typedef _Distance                  difference_type;
             typedef _Tp* pointer;
             typedef _Tp& reference;
         };

      3. 迭代器中的iterator_category和value_type等等，它们只是类型名。那么迭代器是如何将这些信息返回给调用者呢？
         实际上，SGI STL灵活的使用了模板参数推导的特性来完成这些任务，例如如下代码

         // iterator_category
         template <class _Tp, class _Distance>
         inline input_iterator_tag
         iterator_category(const input_iterator<_Tp, _Distance>&)
         {
             return input_iterator_tag();
         }
         
         inline output_iterator_tag iterator_category(const output_iterator&)
         {
             return output_iterator_tag();
         }
         #define __ITERATOR_CATEGORY(__i) iterator_category(__i)
         // value_type
         template <class _Tp, class _Distance>
         inline _Tp* value_type(const bidirectional_iterator<_Tp, _Distance>&)
         {
             return (_Tp*)(0);
         }
         
         template <class _Tp, class _Distance>
         inline _Tp* value_type(const random_access_iterator<_Tp, _Distance>&)
         {
             return (_Tp*)(0);
         }
         #define __VALUE_TYPE(__i)        value_type(__i)

         当不同类型的指针使用宏定义__VALUE_TYPE时，由于模板参数推导的特点，程序会调用参数类型相匹配的函数。既然参数类型匹配，那么返回的也一定是匹配的类型。

      4. Traits技术（重中之重）

         1. iterator_traits

            1. iterator_traits 技术用于萃取出iterator的对应类型，例如value_type、iterator_category等等。
               iterator本身便可以使用对应宏定义(例如__VALUE_TYPE)来取出对应类型。但原生指针并没有这些方法，所以需要套一层iterator_traits，让iterator_traits“帮助”原生指针，将所需的相关信息返回给调用者。

            2. iterator_traits相关源码

               template <class _Iterator>
               struct iterator_traits {
               typedef typename _Iterator::iterator_category iterator_category;
               typedef typename _Iterator::value_type        value_type;
               typedef typename _Iterator::difference_type   difference_type;
               typedef typename _Iterator::pointer           pointer;
               typedef typename _Iterator::reference         reference;
               };
               
               template <class _Tp>
               struct iterator_traits<_Tp*> {
               typedef random_access_iterator_tag iterator_category;
               typedef _Tp                         value_type;
               typedef ptrdiff_t                   difference_type;
               typedef _Tp*                        pointer;
               typedef _Tp&                        reference;
               };

               可以看到，iterator_traits对待iterator和原生指针的方式，是不一样的。

         2. type_traits

            1. iterator_traits技术只能用来规范迭代器，对于迭代器之外的东西没有加以规范。所以type_traits就应运而生。

            2. iterator_traits是萃取迭代器的特性，而__type_traits是萃取型别的特性。
               __type_traits有如下几个类型

               1. has_trivial_default_constructor —— 是否使用默认构造函数
               2. has_trivial_copy_constructor —— 是否使用默认拷贝构造函数
               3. has_trivial_assignment_operator —— 是否使用默认赋值运算符
               4. has_trivial_destructor —— 是否使用默认析构函数
               5. is_POD_type —— 是否是POD类型 返回的是__true_type或__false_type结构

            3. 其相关源码如下

               struct __true_type {};
               struct __false_type {};
               
               template <class _Tp>
               struct __type_traits {
                   typedef __true_type     this_dummy_member_must_be_first;
                                   /* Do not remove this member. It informs a compiler which
                                       automatically specializes __type_traits that this
                                       __type_traits template is special. It just makes sure that
                                       things work if an implementation is using a template
                                       called __type_traits for something unrelated. */
               
                   /* The following restrictions should be observed for the sake of
                       compilers which automatically produce type specific specializations
                       of this class:
                           - You may reorder the members below if you wish
                           - You may remove any of the members below if you wish
                           - You must not rename members without making the corresponding
                               name change in the compiler
                           - Members you add will be treated like regular members unless
                               you add the appropriate support in the compiler. */
               
                   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;
               };
               
               __STL_TEMPLATE_NULL struct __type_traits<int> {
                   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;
               };

      5. 应用
         为什么迭代器要分这么多的类型呢？原因是为了实现STL速度与效率的提高。
         根据迭代器的类型，算法可以对该种类的迭代器使用效率最高的操作方式。
         例如，如果对char*类型的iterator执行copy操作，那么copy函数就可以直接使用memcpy来完成操作，而不是遍历复制再构造。如此以提高算法的效率。 请看如下源码：

         vector<_Tp, _Alloc>::_M_insert_aux(iterator __position, const _Tp& __x)
         {
             /* ....  */
             __STL_TRY{
                 // 当vector的成员函数调用 uninitialized_copy 时，程序会根据迭代器类型执行特定的 uninitialized_copy操作
                 __new_finish = uninitialized_copy(_M_start, __position, __new_start);
                 construct(__new_finish, __x);
                 ++__new_finish;
                 __new_finish = uninitialized_copy(__position, _M_finish, __new_finish);
             } __STL_UNWIND((destroy(__new_start, __new_finish),
                     _M_deallocate(__new_start, __len)));
             /* ....  */
         }
         
         // 如果是char*类型的迭代器就直接调用memmove。如果不是，则调用使用迭代器的uninitialized_copy函数
         template <class _InputIter, class _ForwardIter>
         inline _ForwardIter
         uninitialized_copy(_InputIter __first, _InputIter __last,
             _ForwardIter __result)
         {
             return __uninitialized_copy(__first, __last, __result,
                 // 注意到这里获取了迭代器所指向对象的类型
                 __VALUE_TYPE(__result));
         }
         
         // 如果迭代器是一个指向某个对象的指针，则调用内含_Tp*类型参数的__uninitialized_copy
         template <class _InputIter, class _ForwardIter, class _Tp>
         inline _ForwardIter
         __uninitialized_copy(_InputIter __first, _InputIter __last,
                             _ForwardIter __result, _Tp*)
         {
             // 注意这里获取了迭代器所指对象的is_POD信息
             typedef typename __type_traits<_Tp>::is_POD_type _Is_POD;
             return __uninitialized_copy_aux(__first, __last, __result, _Is_POD());
         }
         
         // 如果这个对象类型是POD的，直接copy以提高效率
         template <class _InputIter, class _ForwardIter>`
         inline _ForwardIter
         __uninitialized_copy_aux(_InputIter __first, _InputIter __last,
                                 _ForwardIter __result,
                                 __true_type)
         {
             return copy(__first, __last, __result);
         }
         // 否则，只能一个个的遍历并执行构造函数
         template <class _InputIter, class _ForwardIter>
         _ForwardIter
         __uninitialized_copy_aux(_InputIter __first, _InputIter __last,
                                 _ForwardIter __result,
                                 __false_type)
         {
             _ForwardIter __cur = __result;
             __STL_TRY {
                 for ( ; __first != __last; ++__first, ++__cur)
                 _Construct(&*__cur, *__first);
                 return __cur;
             }
             __STL_UNWIND(_Destroy(__result, __cur));
         }

3. 容器

   1. vector
      1. vector的本质就是一个空间连续数组。与普通数组不同的是，该数组"可长可短"。
      2. vector的核心成员是三个迭代器，分别为
         1. _Tp* _M_start —— 指向所分配数组的起始位置
         2. _Tp* _M_finish —— 指向已使用空间的末端位置+1
         3. _Tp* _M_end_of_storage —— 指向所分配数组的末尾位置+1
   2. list
      1. list是一个头尾相连的双向环状链表，由一个个节点头尾相连所构成。
      2. 其关键的成员只有一个，_List_node<_Tp>* _M_node —— 指向链表的末尾节点，该节点的成员_M_next指向的是链表的起始节点。