const、span 和迭代器的麻烦

Question

我尝试编写一个按索引遍历容器的迭代器。 It 和 const It 都允许更改容器的内容。 Const_it 和 const Const_it 都禁止更改容器的内容。

之后，我尝试在容器上写一个span<T>。 对于不是 const 的类型 T，const span<T> 和 span<T> 都允许更改容器的内容。 const span<const T> 和 span<const T> 都禁止更改容器的内容。

代码无法编译，因为：

    // *this is const within a const method
    // But It<self_type> requires a non-const *this here.
    // So the code does not compile
    It<self_type> begin() const { return It<self_type>(*this, 0); }

如果我让It 的构造函数接受const 容器，它看起来不正确，因为迭代器可以修改容器的内容。

如果我去掉方法的 const，那么对于非 const 类型 T，const span<T> 不能修改容器。

It 继承自 Const_it 以允许在模板实例化期间从 It 隐式转换为 Const_it。

我在迭代器 (const C* container_;) 中使用指针而不是引用来允许将一个迭代器分配给另一个迭代器。

我怀疑这里有些不对劲，因为我什至想到：

Does cast away const of *this cause undefined behavior?

但我不知道如何解决。

测试：

#include <vector>
#include <numeric>
#include <iostream>

template<typename C>
class Const_it {
    typedef Const_it<C> self_type;
public:
    Const_it(const C& container, const int ix)
            : container_(&container), ix_(ix) {}
    self_type& operator++() {
        ++ix_;
        return *this;
    }

    const int& operator*() const {
        return ref_a()[ix_];
    }

    bool operator!=(const self_type& rhs) const {
        return ix_ != rhs.ix_;
    }

protected:
    const C& ref_a() const { return *container_; }
    const C* container_;
    int ix_;
};

template<typename C>
class It : public Const_it<C> {
    typedef Const_it<C> Base;
    typedef It<C> self_type;
public:
    //It(const C& container.
    It(C& container, const int ix)
            : Base::Const_it(container, ix) {}
    self_type& operator++() {
        ++ix_;
        return *this;
    }

    int& operator*() const {
        return mutable_a()[ix_];
    }

private:
    C& mutable_a() const { return const_cast<C&>(ref_a()); }
    using Base::ref_a;
    using Base::container_;
    using Base::ix_;
};


template <typename V>
class span {
    typedef span<V> self_type;
public:
    explicit span(V& v) : v_(v) {}
    It<self_type> begin() { return It<self_type>(*this, 0); }
    // *this is const within a const method
    // But It<self_type> requires a non-const *this here.
    // So the code does not compile
    It<self_type> begin() const { return It<self_type>(*this, 0); }
    It<self_type> end() { return It<self_type>(*this, v_.size()); }
    It<self_type> end() const { return It<self_type>(*this, v_.size()); }

    int& operator[](const int ix) {return v_[ix];}
    const int& operator[](const int ix) const {return v_[ix];}
private:
    V& v_;
};


int main() {
    typedef std::vector<int> V;
    V v(10);
    std::iota(v.begin(), v.end(), 0);
    std::cout << v.size() << "\n";
    const span<V> s(v);
    for (auto&& x : s) {
        x = 4;
        std::cout << x << "\n";
    }
}

Answer 1

要完成这项工作，有两个主要注意事项。第一：

如果我让 It 的构造函数接受一个 const 容器，它看起来不正确，因为迭代器可以修改容器的内容。

不是真的，因为template<typename C> class It 中的C 不是实际容器，而是span<V>。换句话说，看看：

It<self_type> begin() const { return It<self_type>(*this, 0); }

这里self_type 表示const span<V>，因此您返回的是It<const span<V>>。因此，您的迭代器可以做任何可以用const span 做的事情——但容器仍然不是const。那么变量名container_就不好说了。

对于不是const 的类型T，const span<T> 和span<T> 都允许更改容器的内容。 const span<const T> 和 span<const T> 都禁止更改容器的内容。

另外，既然你想让const span被允许修改内容，那么你应该在span本身里面写的是（注意const）：

int& operator[](const int ix) const {return v_[ix];}
// Removing the other `const` version:
// const int& operator[](const int ix) const {return v_[ix];}

明确了这两个部分后，您就可以构建一个工作示例了。这是一个基于您的代码并经过简化以解决手头问题的代码：

#include <vector>
#include <iostream>

template<typename S>
class It {
    typedef It<S> self_type;
    const S& span_;
    int ix_;

public:
    It(const S& span, const int ix)
        : span_(span), ix_(ix) {}

    self_type& operator++() {
        ++ix_;
        return *this;
    }

    int& operator*() const {
        return span_[ix_];
    }

    bool operator!=(const self_type& rhs) const {
        return &span_ != &rhs.span_ or ix_ != rhs.ix_;
    }
};

template <typename V>
class span {
    typedef span<V> self_type;
public:
    explicit span(V& v) : v_(v) {}
    It<self_type> begin() const { return It<self_type>(*this, 0); }
    It<self_type> end() const { return It<self_type>(*this, v_.size()); }

    int& operator[](const int ix) const {return v_[ix];}
private:
    V& v_;
};

int main() {
    typedef std::vector<int> V;
    V v(10);
    const span<V> s(v);
    for (auto&& x : s) {
        x = 4;
        std::cout << x << "\n";
    }
}

看看operator!= 的正确实现，以及不需要begin() 和end() 的非const 版本。你也可以在那里扔一个cbegin() 和cend()。然后你必须重新添加 const 迭代器案例。

---

顺便说一句，以防它为任何人节省一些混乱：在不久的将来，可能会添加std::span（proposed for C++20）；它只是一对(pointer-to-first-element, index)——而不是你的(pointer-to-container, index)版本。

换句话说，作为它的模板参数，它将采用元素的类型，而不是容器：

span<std::vector<int>> s(v);
// vs
std::span<int> s(v);

这让std::span 的消费者可以避免知道幕后是哪个容器（甚至没有容器：一个连续的内存区域或一个数组）。

最后，您可能想看看GSL's implementation of std::span 以获得一些关于如何完全实现它的灵感（包括关于范围的第二个模板参数）。

Answer 2

在研究了 Acorn 的解决方案后，我找到了另一个解决方法。

这允许对std::vector<T> 和span 使用相同的迭代器模板。

这两种情况是不同的。 对于非常量类型T，const std::vector<T> 禁止更改其元素。 const span<T> 允许更改其元素。

主要区别在于span 类中的It<const self_type>(*this, 0); 和S& span_; 而不是It 类中的const S& span_;。

修复：

#include <vector>
#include <iostream>

template<typename S>
class It {
    typedef It<S> self_type;
public:
    It(S& span, const int ix)
            : span_(span), ix_(ix) {}

    self_type& operator++() {
        ++ix_;
        return *this;
    }

    int& operator*() const {
        return span_[ix_];
    }

    bool operator!=(const self_type& rhs) const {
        return &span_ != &rhs.span_ or ix_ != rhs.ix_;
    }

private:
    S& span_;
    int ix_;
};

template<typename V>
class span {
    typedef span<V> self_type;
public:
    explicit span(V& v) : v_(v) {}

    It<const self_type> begin() const {
        return It<const self_type>(*this, 0);
    }

    It<const self_type> end() const {
        return It<const self_type>(*this, v_.size());
    }

    int& operator[](const int ix) const { return v_[ix]; }

private:
    V& v_;
};

int main() {
    // Test adding iterator to a span
    typedef std::vector<int> V;
    V v(10);
    const span<V> s(v);
    for (auto&& x : s) {
        x = 4;
        std::cout << x << " ";
    }
    std::cout << "\n";
    // Test adding iterator to a std::vector
    const It<V> begin(v, 0);
    const It<V> end(v, v.size());

    for (auto it = begin; it != end; ++it) {
        *it = 10;
        std::cout << *it << " ";
    }

    std::cout << "\n";
}