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利用类型萃取(Traits)限制函数模版具体化所使用的类型

2017-03-28 17:15 330 查看
前阵子碰到一道编程题,一行文本由多个整数构成,代表一个集合,允许存在重复数字,如何判断两行文本代表同一个集合?关于这个问题我直觉想到的是先排序再比较,如果两者size不一样直接返回false,否则再逐个比较,出现不一致的立刻返回false。可以用std::multiset存储读入的数据,其内部是个平衡二叉树结构,插入数据时可以自动排序,且代价比较低。当然我不确定这样是不是解决问题的最佳方法,但却引出了另一个问题:比较函数的两个参数是同类型的容器,除了支持std::multiset,也可以接收其他容器比如std::set(题目可以改成忽略数列中的重复数字),那么自然想到可以使用模版,当传入的是vector或list时,由于这类容器不一定已排序序,函数判断的结果无效,另外就是容器只允许包含算术类型以方便比较,否则最好在编译阶段就报错,这样可以保证函数被正确使用,让可能的错误提前曝光。那么,该如何限制下面这个函数模版被具体化时所使用的类型呢?

template <class Container>
bool equal(const Container &container1, const Container &container2)
{
if (container1.size() != container2.size())
{
return false;
}
for (Container::const_iterator it1 = container1.begin(), it2 = container2.begin();
it1 != container1.end() && it1 != container1.end();
++it1, ++it2)
{
if (*it1 != *it2)
{
return false;
}
}
return true;
}
由于是在编译阶段进行判断,那么免不了模版相关的编程,我对泛型编程的了解有限,还好万能的互联网可以帮助到,于是把搜集到的方法整理了一下。与类型萃取相关的编程需要包含<type_traits>头文件。

template <typename>
struct is_set_or_multiset : std::false_type {};

template <typename... Args>
struct is_set_or_multiset<std::set<Args ...>> : std::true_type {};

template <typename... Args>
struct is_set_or_multiset<std::multiset<Args ...>> : std::true_type {};

template <class Container,
class = typename std::enable_if_t<std::is_arithmetic<typename Container::value_type>::value
&& is_set_or_multiset<Container>::value>>
bool equal1(const Container &container1, const Container &container2)
{
...
}
这种方法比较容易想到,属于最自然而然的模式匹配。

template <template <class ...> class U, class T>
struct is_instance_of_template : std::false_type {};

template <template <class ...> class U, class... Args>
struct is_instance_of_template<U, U<Args ...>> : std::true_type {};

template <class Container,
class = typename std::enable_if_t<std::is_arithmetic<typename Container::value_type>::value
&& (is_instance_of_template<std::set, Container>::value
|| is_instance_of_template<std::multiset, Container>::value)>>
bool equal2(const Container &container1, const Container &container2)
{
...
}
该方法先判断是不是一个模版类,再进一步判断是不是我们想要的容器。相比而言我更喜欢前面那种方法,支持新的类型只需添加一个类,而不用修改函数模版。

template <class Container,
class = typename std::enable_if_t<std::is_arithmetic<typename Container::value_type>::value
&& (std::is_same<std::remove_reference<Container>::type, std::set<typename Container::value_type>>::value
|| std::is_same<std::remove_reference<Container>::type, std::multiset<typename Container::value_type>>::value)>>
bool equal3(const Container &container1, const Container &container2)
{
...
}
这种方法比较直观,和上面那种方式一样都是在函数模版上面进行条件判断,用到了type_traits里的std::is_same,个人更倾向于使用标准库的方法。

template <typename Container,
typename = typename std::enable_if<std::is_arithmetic<Container::key_type>::value
&& std::is_arithmetic<Container::value_type>::value>::type>
bool equal4(const Container& container1, const Container& container2)
{
return true;
}
最后还有一种偏门的方法,其实是利用了set和multiset的一个特殊之处,在标准STL容器里面只有这两种容器既有key_type又有value_type且表示同一个数值,如果我们故意定制一种容器,是可以破坏这个判断的,所以这种方法不推荐使用。最后给出测试代码:

int main(void)
{
std::set<int> s1;
std::set<int> s2;
equal(s1, s2);    //  OK

std::multiset<float> s3;
std::multiset<float> s4;
equal(s3, s4);    //  OK

typedef std::multiset<double> MULTISET;
MULTISET s5;
MULTISET s6;
equal(s5, s6);    //  OK

std::set<int> s1_;
std::multiset<int> s2_;
//equal(s1_, s2_);    //  compile error

std::set<int*> s3_;
std::set<int*> s4_;
//equal(s3_, s4_);    //  compile error

std::vector<int> s5_;
std::vector<int> s6_;
//equal(s5_, s6_);    //  compile error

std::map<int, int> s7_;
std::map<int, int> s8_;
//equal(s7_, s8_);    //  compile error

return 0;
}


这个话题还可以进一步延伸,比如可以让函数模版支持任何容器包括自定义容器,只要这个容器有size方法,可以被sort,能用标准迭代器顺序遍历,且包含的元素不仅仅只允许内置的算术类型,即便是个类,只要重载了less方法可用于比较,那么都该接受。用类型萃取完全是可以实现的,就是写起来又臭又长,还会损伤脑细胞。谁叫C++的模版用丑陋的语法包裹着函数式编程的思维呢。
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