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为遗留代码提供STL支持(实现自定义iterator)

为遗留代码提供STL支持(实现自定义iterator)

作者: 长不胖的Garfield | 来源:发表于2017-12-06 15:41 被阅读0次

为什么

在很多情况下,集合内容被封装到特定类里,只能通过一些接口来进行访问,而如果是STL容器,则可以利用STL算法进行非常灵活、表达能力更强的操作,譬如如下类:

class FakeVector
{
public:
    std::size_t count() const ;
    int  item(std::size_t idx) ;
    void add(int v);
};

在对FakeVector进行操作时,只能有如下写法:

FakeVector v(items);

//查询
for (std::size_t i = 0; i < v.count(); i++)
{
    auto item = v.item(i);
}
//追加
v.add(1024);

而不能像操作STL容器一样使用std::copystd::transform来进行查询、追加操作。

目标

为现有类提供迭代器,使其能够模仿STL容器来应用STL相关算法,譬如能够采用如下方式来操作FakeVector

std::vector<int> results;
FakeVector v(items);

STLAdapter<int, FakeVector> proxy(&v);
std::copy(proxy.begin(), proxy.end(), std::back_inserter(results));
std::transform(proxy.begin(), proxy.end(), std::back_inserter(results), 
    [](int v)->int { return v*2; });
std::copy(results.rbegin(), results.rend(), std::back_inserter(proxy));

实现思路

STL容器和算法之间的桥梁是迭代器,可以实现定制的迭代器来实现在指定类上应用算法;鉴于要支持的遗留代码集合类接口命名不一致,要为迭代器提供辅助类来获取迭代器所需信息;遗留代码无法修改,所以需要一个代理类来为STL算法提供迭代器。

迭代器辅助类

如果想要能够查询和增加集合里的内容,只需要以下接口:

  • 获取个数count
  • 根据索引获取内容item
  • 追加内容append

而且根据集合类无法正确推导出集合内容类型,定义如下辅助模板类,用来为迭代器提供统一的操作接口:

template<typename T,typename Container>
struct STLAdapterHelper
{
    typedef typename T value_type;
    static std::size_t count(Container* container);
    static value_type  item(Container* container,std::size_t idx);
    static void        append(Container* container, value_type const& v);
};

迭代器初步

书写迭代器最省事便捷的方法就是继承自std::iterator、继承时指定迭代器类型及值类型;如果仅需支持单向查询操作则指定迭代器类型为std::input_iterator_tag即可。

std::input_iterator_tag

这种迭代器类型对应于InputIterator,需要实现以下接口:

typename iterator::value_type operator*() const;
iterator& operator++();
iterator operator++(int);
friend bool operator==(const iterator& lhs, const iterator& rhs);
friend bool operator!=(const iterator& lhs, const iterator& rhs);

其中operator*()完成迭代器指定内容访问动作,返回容器里对应未知的内容;operator++()是前置自增;operator++(int)是后置自增;另外两个接口是比较操作。

基于索引的迭代器实现

基于索引的迭代器实现比较简单,迭代器包含了当前索引以及容器;STL算法在操作迭代器时,行为与手写for循环条件类似,首先拿到begin和end,确定起始位置和终止条件, 获取当前迭代器位置的值,然后自增移动到下一个迭代器位置。
如下是一个常规的查询迭代器实现:

class iterator :public std::iterator<std::input_iterator_tag, typename STLAdapter::value_type>
{
public:
    iterator(STLAdapter& proxy, std::size_t idx)
        :m_idx(idx), m_proxy(proxy) {};

    //access
    typename iterator::value_type operator*() const {
        //根据当前索引及集合获取对应值/内容
    }
        
    //std::input_iterator_tag
    iterator& operator++() {
        m_idx += 1;
        return *this;
    }
        
    iterator operator++(int) {
        iterator tmp = *this;
        ++*this;
        return tmp;
    }

    friend bool operator==(const iterator& lhs, const iterator& rhs) {
        return (&lhs.m_proxy == &rhs.m_proxy) && (lhs.m_idx == rhs.m_idx);
    }
        
    friend bool operator!=(const iterator& lhs, const iterator& rhs) {
        return !(lhs == rhs);
    }
private:
    std::size_t m_idx;
    STLAdapter& m_proxy;
};

集合类代理

代理类包含了要操作的集合,并向外提供迭代器来支持STL算法,实现如下:

template<typename T,typename Container>
class STLAdapter
{
public:
    typedef STLAdapterHelper<T, Container> helper;
    typedef typename helper::value_type value_type;

    explicit STLAdapter(Container* container) 
        :m_object(container) 
    {
        if (m_object == nullptr)
            throw std::invalid_argument("STLAdapter(nullptr) donot support!");
    };
   class iterator{
    //迭代器实现
   };

    typedef const iterator const_iterator;
    typedef const typename iterator::reference const_reference;
    //提供迭代器起始与解释位置
    iterator begin() const { return iterator(const_cast<STLAdapter&>(*this), 0); };
    iterator end() const { return iterator(const_cast<STLAdapter&>(*this), helper::count(m_object));};
    //提供const版
    const_iterator cbegin() const { return begin(); };
    const_iterator cend() const { return end(); };

  protected:
    Container* m_object;
};

之后就可以为指定集合类提供STLAdapterHelper模板偏特化来支持STL的非修改算法了。

如果采用std::back_inserter希望修改集合类的内容,需要提供push_back方法(VS2010),譬如在STLAdapter中提供:

    void push_back(typename value_type const& v) {
        STLAdapterHelper<T, Container>::append(m_object, v);
    }

适配指定的集合类

现在就可以偏特化STLAdapterHelper来提供指定集合类的适配了,示例如下:

//模板偏特化
template<>
struct STLAdapterHelper<int,FakeVector>
{
    typedef int  value_type;

    static std::size_t count(FakeVector* container) {
        return container->count();
    }
    static int         item(FakeVector* container, std::size_t idx) {
        return container->item(idx);
    }
    static void        append(FakeVector* container, int const& v) {
        container->add(v);
    };
};

未完成的内容

经过上述操作,已经可以对特定的集合类提供STLAdapter来应用STL算法了;但是现在除了查询和追加操作,是无法对集合类进行其它操作的,如果想进行其它操作,可以提供如下操作:

   Container* operator->() { return m_object; };

通过运算符重载,使用STAdapter->即可获取集合类进行之前无法处理的操作。

完整的实现

#include <iterator>

template<typename T,typename Container>
struct STLAdapterHelper
{
    typedef typename T value_type;
    static std::size_t count(Container* container);
    static value_type  item(Container* container,std::size_t idx);
    static void        append(Container* container, value_type const& v);
};

template<typename T,typename Container>
class STLAdapter
{
public:
    typedef STLAdapterHelper<T, Container> helper;
    typedef typename helper::value_type value_type;

    explicit STLAdapter(Container* container) 
        :m_object(container) 
    {
        if (m_object == nullptr)
            throw std::invalid_argument("STLAdapter(nullptr) donot support!");
    };

    class iterator :public std::iterator<std::input_iterator_tag, typename STLAdapter::value_type>
    {
    public:
        iterator(STLAdapter& proxy, std::size_t idx)
            :m_idx(idx), m_proxy(proxy) {};

        //access
        typename iterator::value_type operator*() const {
            return helper::item(m_proxy.m_object,m_idx);
        }
        
        //std::input_iterator_tag
        iterator& operator++() {
            m_idx += 1;
            return *this;
        }
        
        iterator operator++(int) {
            iterator tmp = *this;
            ++*this;
            return tmp;
        }

        friend bool operator==(const iterator& lhs, const iterator& rhs) {
            return (&lhs.m_proxy == &rhs.m_proxy) && (lhs.m_idx == rhs.m_idx);
        }
        
        friend bool operator!=(const iterator& lhs, const iterator& rhs) {
            return !(lhs == rhs);
        }
    private:
        std::size_t m_idx;
        STLAdapter& m_proxy;
    };

    typedef const iterator const_iterator;
    typedef const typename iterator::reference const_reference;

    iterator begin() const { return iterator(const_cast<STLAdapter&>(*this), 0); };
    iterator end() const { return iterator(const_cast<STLAdapter&>(*this), helper::count(m_object));};
    
    const_iterator cbegin() const { return begin(); };
    const_iterator cend() const { return end(); };

    Container* operator->() { return m_object; };

    void push_back(typename value_type const& v) {
        helper::append(m_object, v);
    }
protected:
    Container* m_object;
};

学到的内容

  • 迭代器原理及实现方法
  • 如何对接遗留代码

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