深入了解C++中基于模板的類型擦除
在C\C++中主要有三種類型擦除的方式:
基于void*的類型擦除,如C標準庫的qsort函數(shù)。這中用法在C中是常見的。但因為是通過void*來操作數(shù)據(jù),所以存在類型不安全的問題。
- 函數(shù)原型:void qsort(void *base, size_t nmemb, size_t size, int (*compar)(const void *, const void *))
- 用途:對數(shù)組進行排序
- 類型擦除:base 是一個指向數(shù)組元素的指針,其類型為 void*。這使得 qsort 可以處理任何類型的數(shù)組。
面向對象的類型擦除,也就是C++中的繼承,通過父類的引用或指針來調用子類的接口。這樣解決了void*的類型不安全問題,但是繼承也帶來了代碼復雜度提升,以及侵入式設計的問題(子類的實現(xiàn)比如知道父類和其繼承體系)。
基于模板的類型擦除,技術上來說,是編寫一個類,它提供模板的構造函數(shù)和非虛函數(shù)接口提供功能;隱藏了對象的具體類型,但保留其行為。典型的就是std::function。
下面是一個示例代碼,實現(xiàn)了通用的任務,這些任務可以是任意的函數(shù)對象。
#include <iostream>
#include <memory>
// 抽象基類TaskBase作為公共接口不變;其子類TaskModel寫成類模板的形式,其把一個任意類型F的函數(shù)對象function_作為數(shù)據(jù)成員。
struct TaskBase
{
virtual ~TaskBase() {}
virtual void operator()() const = 0;
};
template <typename F>
struct TaskModel : public TaskBase
{
F functor_;
template <typename U> // 構造函數(shù)是函數(shù)模板
TaskModel(U &&f) : functor_(std::forward<U>(f))
{
}
void operator()() const override
{
functor_();
}
};
// 對TaskModel的封裝
class MyTask
{
std::unique_ptr<TaskBase> ptr_;
public:
template <typename F>
MyTask(F &&f)
{
using ModelType = TaskModel<F>;
ptr_ = std::make_unique<ModelType>(std::forward<F>(f));
}
void operator()() const
{
ptr_->operator()();
}
};
/////////////測試代碼/////////////////
// 普通函數(shù)
void func1()
{
std::cout << "type erasure 1" << std::endl;
}
// 重載括號運算符的類
struct func2
{
void operator()() const
{
std::cout << "type erasure 2" << std::endl;
}
};
int main()
{
// 普通函數(shù)
MyTask t1{&func1};
t1(); // 輸出"type erasure 1"
// 重載括號運算符的類
MyTask t2{func2{}};
t2(); // 輸出"type erasure 2"
// Lambda
MyTask t3{
[]()
{ std::cout << "type erasure 3" << std::endl; }};
t3(); // 輸出"type erasure 3"
return 0;
}
總結下,要實現(xiàn)基于模板的類型擦除主要有三層的代碼。
- 第一層是concept,TaskBase??紤]需要的功能后,以虛函數(shù)的形式提供對應的接口I。
- 第二層是model,TaskModel。這是一個類模板,用來存放用戶提供的類T,T應當語法上滿足接口I;重寫concept的虛函數(shù),在虛函數(shù)中調用T對應的函數(shù)。
- 第三層是wrapper,對應MyTask。存放一個concept指針p指向model對象m;擁有一個模板構造函數(shù),以適應任意的用戶提供類型;以非虛函數(shù)的形式提供接口I,通過p調用m。
從技術上來說,這種類型擦除的技巧可算是運行時多態(tài)的一種另類實現(xiàn)。它避免了一個類通過繼承這種帶來類間強耦合關系的方式,去滿足某個運行時多態(tài)使用(polymorphic use)的需求。
測試代碼表明,用戶可以把任意的滿足void()簽名接口的函數(shù)對象作為任務,但不需要手動繼承任何的代碼或編寫虛函數(shù)。實現(xiàn)任務類的運行時多態(tài)的代碼被限制在庫的范圍內,不會以繼承的方式侵入用戶的代碼或其他的庫。
這里還有另一個示例。
首先,定義圖形的概念接口ShapeConcept,接口類中定義了接口函數(shù)Draw。然后,通過模板ShapeModel具體實現(xiàn)了ShapeConcept的概念。最后,定義Shape類來封裝ShapeModel。
這樣,定義了Draw接口的正方形Square或者是通過特化實現(xiàn)了Draw的圓形Circle,都可以統(tǒng)一到Shape下,而不需要繼承它。
#include <iostream>
#include <memory>
#include <utility>
#include <vector>
// 圖形的概念接口
struct ShapeConcept
{
virtual void Draw() const = 0;
};
// 圖形概念的具體實現(xiàn)
template <typename T>
struct ShapeModel : ShapeConcept
{
ShapeModel(T &&val) : shape_{std::forward<T>(val)} {}
void Draw() const override
{
shape_.Draw(); // 這里假設具體圖形有Draw()成員函數(shù)。如果沒有,需要特化該模板。
}
private:
// 這里直接存儲具體圖形的值
T shape_;
};
// 父類
class Shape
{
public:
template <typename T>
Shape(T &&val) : pimpl_{new ShapeModel<T>(std::forward<T>(val))} {}
inline void Draw() const
{
pimpl_->Draw();
}
private:
std::unique_ptr<ShapeConcept> pimpl_;
};
//---------------------正方形-------------------------
class Square
{
public:
explicit Square(float side) : side_(side) {}
// 正方形的繪圖函數(shù)是一個成員函數(shù)
void Draw() const
{
std::cout << "Draw square of side: " << side_ << std::endl;
}
private:
float side_;
};
//---------------------圓-----------------------------
class Circle
{
public:
explicit Circle(float radius) : radius_(radius) {}
float GetRadius() const { return radius_; }
private:
float radius_;
};
// 圓的繪圖是一個全局函數(shù)
void DrawCircle(const Circle &circle)
{
std::cout << "Draw circle of radius: " << circle.GetRadius() << std::endl;
}
// 因為圓的繪圖函數(shù)是一個全局函數(shù),所以需要特化
template <>
struct ShapeModel<Circle> : ShapeConcept
{
ShapeModel(Circle &&val) : shape_(std::move(val)) {}
void Draw() const override
{
DrawCircle(shape_);
}
private:
Circle shape_;
};
int main()
{
std::vector<Shape> shapes;
shapes.push_back(Circle(1.0));
shapes.push_back(Square(2.0));
for (const auto &shape : shapes)
{
shape.Draw();
}
return 0;
}
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