STL-空間配置器、迭代器、traits程式設計技巧

gatsby123發表於2019-06-27
AI程式設計

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記憶體分配和釋放

STL中有兩個分配器，一級分配器和二級分配器，預設使用二級分配器，使用二級分配器分配大記憶體時會呼叫一級分配器去執行，一級分配器使用malloc和free分配和釋放記憶體。如果分配小記憶體那麼二級分配器會從記憶體池中進行查詢，防止malloc/free的開銷。
二級配置器

為了瞭解原理，不深挖細節，只實現一級分配器也是可以的：

class first_level_alloc {
public:
    static void* allocate(size_t n) {
        void* result = malloc(n);       //直接使用malloc
        //todo: out of memory handler
        return result;
    }
    static void deallocate(void* p, size_t) {
        free(p);            //直接使用free
    }
};

一級分配器，直接呼叫malloc和free分配和釋放記憶體。這裡也沒有處理分配失敗的情況。

為了方便使用定義一個包裝類：

template <typename T, typename Alloc>
class simple_alloc {
public:
    static T* allocate(size_t n) {
        return (0 == n) ? nullptr : static_cast<T *>(Alloc::allocate(n * sizeof(T)));
    }
    static T* allocate() {
        return static_cast<T *>(Alloc::allocate(sizeof(T)));
    }
    static void deallocate(T *p, size_t n) {
        if (0 != n) {
            Alloc::deallocate(p, n * sizeof(T));
        }
    }
    static void deallocate(T *p) {
        Alloc::deallocate(p, sizeof(T));
    }
};

對外使用這個包裝類别範本引數T指定要分配的物件型別，Alloc指定分配器，因為沒有實現二級分配器，所以都是指定為一級分配器first_level_alloc。

物件的構造和析構

定義如下三個函式：

template <typename T>
inline void construct(T* p, const T& value) {
    new(p) T(value);   //placement new
}
template <typename T>
inline void destroy(T *p) {
    p->~T();
}
//todo:low efficiency
template <typename ForwardIterator>
inline void destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last) {
    for (; first != last; ++first) {
        destroy(&*first);
    }
}
  1. void construct(T* p, const T& value)：在p指向的位置用value拷貝構造T物件並返回。這裡用到了placement new。
  2. void destroy(T *p)：析構p指向處的T物件。
  3. void destroy(ForwardIterator first, ForwardIterator last)：析構[first, last)區間的物件。這裡沒有考慮效率，直接使用for迴圈呼叫destroy。STL庫中使用模板特例化，根據迭代器指向的型別有沒有trivial destructor，執行不同的特例化版本。如果有trivial destructor，比如內建型別，那麼什麼也不用做。如果有non-trivial destructor才呼叫上述的那個版本。

traits要解決的問題

假如演算法中要宣告“迭代器所指類別”的變數，該怎麼辦？

內嵌類別宣告解決非指標迭代器的情況

template <typename T>
struct MyIter {                     //模擬迭代器型別
    typedef T value_type;   //內嵌類別宣告
    T* ptr;
    MyIter(T* p = 0) :ptr(p) {}
    T& operator*() const {
        return *ptr;
    }
};

template <typename I>
typename I::value_type    //返回型別為迭代器指向的型別
func(I ite) {      //該函式傳入一個指標，返回指標指向的值。
    return *ite;
}

int main() {
    MyIter<int> ite(new int(8));
    cout << func(ite);
}

MyIter模擬迭代器，T是迭代器所指的型別，通過在迭代器內typedef T value_type;後，就能用MyIter

使用模板特例化解決普通指標的情況

template <typename T>
struct MyIter {
    typedef T value_type;
    T* ptr;
    MyIter(T* p = 0) :ptr(p) {}
    T& operator*() const {
        return *ptr;
    }
};

template <typename I>
struct iterator_traits {            //針對普通迭代器的模板類
    typedef typename I::value_type value_type;
};

template <typename I>
struct iterator_traits<I*> {      //針對指標型別的模板特例化
    typedef I value_type;
};

template <typename I>
typename iterator_traits<I>::value_type
func(I ite) {                   //該函式返回迭代器或這種指向的值
    return *ite;
}

int main() {
    MyIter<int> it(new int(8));
    int* ip = new int(8);
    std::cout << func(ip) << std::endl;
    std::cout << func(it);
}

這裡定義了一個模板類iterator_traits，實際使用時iterator_traits<I>::value_type就是迭代器I所指的型別，如果是迭代器是指標型別，那麼匹配的是itetraor_traits的特例化，iterator_traits<I>::value_type依然可以得到指標所指型別。

所以所謂的traits就是一個模板類和一系列模板特例化。通過這個模板類可以得到指標或者迭代器的相關型別。

同時如果一個迭代器型別如果想要和traits類配合使用需要在其內部通過typedef定義value_type型別。

迭代器相應類別

前面的迭代器所指型別value_type就是迭代器的相關類別之一，除了迭代器所指型別，還有幾個迭代器相關型別。

  1. value_type：迭代器所指型別，上一節已經講過了。
  2. difference type：用來表示兩個迭代器之間的距離。
  3. reference type：迭代器所指型別的引用型別。
  4. pointer type：迭代器所指型別的指標型別。
  5. iterator_category：迭代器的類別。

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