C++ 基于类型擦除的编译期多态:不依赖虚函数表的泛型设计

好的,各位观众老爷们,晚上好!今天咱们来聊点高级货,关于C++中一种叫做“基于类型擦除的编译期多态”的玩意儿。放心,听起来唬人,其实没那么可怕,我尽量用大白话给各位讲明白。

啥是多态?为啥需要类型擦除?

首先,咱们得搞清楚“多态”是啥意思。简单来说,多态就是“多种形态”,同一个操作,作用在不同的对象上,可以产生不同的结果。

C++实现多态,最常见的方式就是用虚函数和虚函数表。这玩意儿很强大,但也有缺点,那就是运行时决议,需要查虚函数表,性能上会有损耗。而且,你得继承一个基类,这在某些场景下并不方便。

那有没有一种办法,既能实现多态,又不用虚函数表,还能在编译期就确定下来?这就是类型擦除要解决的问题。

类型擦除,顾名思义,就是把类型信息给“擦”掉一部分。但别慌,不是全部擦掉,而是擦掉那些不必要的细节,保留必要的接口。这样,我们就可以用统一的方式来处理不同的类型,而不需要事先知道它们的具体类型。

类型擦除的原理:一个快递的例子

想象一下,你要寄快递,不管你寄的是衣服、鞋子还是砖头,你都只需要告诉快递员两件事:

  1. 我要寄东西: 这是一个统一的操作(接口)。
  2. 收件地址: 这是必要的信息,快递员需要知道送到哪里。

快递员不需要知道你的包裹里到底是什么,只需要知道怎么处理它(比如贴标签、扫描条码、装车)。这就是一个简单的类型擦除的例子。你把包裹的具体类型给“擦”掉了,只保留了必要的接口和信息。

C++代码实现:any类型的简易版

咱们用C++代码来演示一下类型擦除的原理。先来一个最简单的any类型,它可以存储任何类型的值。

#include <iostream>
#include <memory>

class any {
public:
  // 构造函数,接受任意类型的值
  template <typename T>
  any(T value) : impl_(std::make_unique<model<T>>(std::move(value))) {}

  // 析构函数
  ~any() = default;

  // 赋值操作
  template <typename T>
  any& operator=(T value) {
    impl_ = std::make_unique<model<T>>(std::move(value));
    return *this;
  }

  // 获取存储的值(需要显式指定类型)
  template <typename T>
  T& as() {
    return static_cast<model<T>&>(*impl_).value_;
  }

  template <typename T>
  const T& as() const {
    return static_cast<const model<T>&>(*impl_).value_;
  }

private:
  // 接口类,定义了存储和访问值的接口
  class concept {
  public:
    virtual ~concept() = default;
    virtual any* clone() const = 0;
  };

  // 模型类,实现了接口类,存储了具体的值
  template <typename T>
  class model : public concept {
  public:
    model(T value) : value_(std::move(value)) {}
    any* clone() const override { return new model(value_); }
    T value_;
  };

  std::unique_ptr<concept> impl_;
};

int main() {
  any a = 10;
  any b = std::string("hello");

  std::cout << a.as<int>() << std::endl;
  std::cout << b.as<std::string>() << std::endl;

  return 0;
}

这个any类型,内部使用了一个concept接口类和一个model模板类。

  • concept接口类定义了存储和访问值的抽象接口。
  • model模板类实现了concept接口,并且存储了具体类型的值。

当我们创建一个any对象时,实际上创建了一个model对象,并且将它存储在impl_指针中。这个impl_指针指向的是concept接口类,而不知道具体的类型。

当我们想要获取存储的值时,需要使用as<T>()方法,显式地指定类型。这个方法会将impl_指针强制转换为model<T>*类型,然后返回存储的值。

类型擦除的进阶:实现编译期多态

any类型只是类型擦除的一个简单应用。更高级的应用是实现编译期多态。

假设我们有一个需求:需要对不同类型的对象进行排序,但是这些对象没有共同的基类。

传统的做法是定义一个虚函数compare,然后在每个类中实现这个虚函数。但是,这样做需要修改每个类的定义,并且会引入虚函数表。

使用类型擦除,我们可以避免这些问题。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <memory>
#include <functional>

// 比较器的概念
class comparable_concept {
public:
    virtual ~comparable_concept() = default;
    virtual bool compare(const void* a, const void* b) const = 0;
    virtual comparable_concept* clone() const = 0; // 添加clone函数
};

// 比较器的模型
template <typename T, typename Compare = std::less<T>>
class comparable_model : public comparable_concept {
public:
    comparable_model(Compare comp = Compare()) : comp_(comp) {}
    bool compare(const void* a, const void* b) const override {
        const T* ta = static_cast<const T*>(a);
        const T* tb = static_cast<const T*>(b);
        return comp_(*ta, *tb);
    }
    comparable_concept* clone() const override { return new comparable_model(comp_); }
private:
    Compare comp_;
};

// 类型擦除的比较器
class any_comparable {
public:
    template <typename T, typename Compare = std::less<T>>
    any_comparable(Compare comp = Compare()) :
        impl_(std::make_unique<comparable_model<T, Compare>>(comp)),
        type_size_(sizeof(T)),
        alignment_(alignof(T)) // 添加alignment_成员
    {}

    bool compare(const void* a, const void* b) const {
        return impl_->compare(a, b);
    }

    size_t type_size() const { return type_size_; }
    size_t alignment() const { return alignment_; }

    // 添加拷贝构造函数
    any_comparable(const any_comparable& other) :
        impl_(other.impl_->clone()),
        type_size_(other.type_size_),
        alignment_(other.alignment_)
    {}

    // 添加赋值运算符
    any_comparable& operator=(const any_comparable& other) {
        if (this != &other) {
            impl_.reset(other.impl_->clone());
            type_size_ = other.type_size_;
            alignment_ = other.alignment_;
        }
        return *this;
    }

private:
    std::unique_ptr<comparable_concept> impl_;
    size_t type_size_;
    size_t alignment_;
};

// 通用的排序函数
void sort(void* begin, void* end, size_t element_size, const any_comparable& comp) {
    if (begin == end) return; // 避免除以零

    // 简化版,仅用于演示
    char* p = static_cast<char*>(begin);
    char* q = static_cast<char*>(begin);
    char* r = static_cast<char*>(end);
    r = r - element_size;

    while(q <= r){
        char* min = q;
        char* s = q + element_size;
        for(;s <=r;s+=element_size){
            if(comp.compare(s,min)){
                min = s;
            }
        }
        if(min != q){
            std::vector<char> temp(element_size);
            std::memcpy(temp.data(),q,element_size);
            std::memcpy(q,min,element_size);
            std::memcpy(min,temp.data(),element_size);
        }
        q += element_size;
    }
}

struct Point {
    int x, y;
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const Point& p) {
    os << "(" << p.x << ", " << p.y << ")";
    return os;
}

int main() {
    std::vector<int> numbers = {3, 1, 4, 1, 5, 9, 2, 6};
    std::vector<Point> points = {{1, 2}, {3, 4}, {0, 0}, {5, 1}};

    // 使用默认的std::less<int>比较器
    any_comparable int_comp;
    sort(numbers.data(), numbers.data() + numbers.size(), sizeof(int), int_comp);

    std::cout << "Sorted numbers: ";
    for (int num : numbers) {
        std::cout << num << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    // 使用自定义的Point比较器
    auto point_comp = [](const Point& a, const Point& b) {
        return a.x * a.x + a.y * a.y < b.x * b.x + b.y * b.y;
    };
    any_comparable point_any_comp(point_comp);
    sort(points.data(), points.data() + points.size(), sizeof(Point), point_any_comp);

    std::cout << "Sorted points: ";
    for (const Point& p : points) {
        std::cout << p << " ";
    }
    std::cout << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中,我们定义了一个any_comparable类,它可以存储任意类型的比较器。any_comparable内部使用了一个comparable_concept接口类和一个comparable_model模板类,类似于any类型。

sort函数接受一个any_comparable对象作为参数,并且使用它来比较不同类型的对象。

关键点:

  • comparable_concept: 定义了比较操作的接口。
  • comparable_model: 模板类,实现了comparable_concept接口,存储了具体的比较器对象(例如std::less<int>或自定义的lambda表达式)。
  • any_comparable: 类型擦除类,隐藏了具体的比较器类型,只暴露了compare接口。
  • sort函数: 通用排序函数,可以对任意类型的数组进行排序,只要提供一个any_comparable对象即可。

类型擦除的优点和缺点

优点:

  • 编译期多态: 类型在编译期确定,避免了虚函数表的开销。
  • 灵活性: 可以处理没有共同基类的类型。
  • 解耦: 排序算法和具体类型解耦,提高了代码的可重用性。

缺点:

  • 代码复杂性: 实现类型擦除的代码通常比较复杂。
  • 类型安全: 需要显式地指定类型,可能会导致类型错误。
  • 运行时开销: 虽然避免了虚函数表,但仍然有一些运行时开销,例如动态内存分配和类型转换。
  • 需要拷贝构造函数和赋值运算符: 类型擦除类通常需要手动实现拷贝构造函数和赋值运算符,以确保正确地复制内部状态。

类型擦除的应用场景

类型擦除在以下场景中非常有用:

  • 泛型算法: 例如std::sortstd::find等算法,可以使用类型擦除来实现对任意类型的操作。
  • 事件处理: 可以使用类型擦除来实现事件的注册和分发,而不需要事先知道事件的具体类型。
  • 插件系统: 可以使用类型擦除来实现插件的加载和调用,而不需要事先知道插件的具体类型。
  • 函数式编程: 例如std::function,可以使用类型擦除来存储任意类型的可调用对象。

总结

类型擦除是一种强大的技术,可以实现编译期多态,并且提高代码的灵活性和可重用性。但是,它也有一些缺点,例如代码复杂性和类型安全问题。在实际应用中,需要根据具体的需求来权衡利弊,选择合适的技术。

表格总结:虚函数 vs 类型擦除

特性 虚函数 类型擦除
多态性 运行时多态 编译期多态
性能 运行时开销(虚函数表查找) 运行时开销(动态内存分配、类型转换),但无虚函数表查找
灵活性 需要继承共同基类 可以处理没有共同基类的类型
代码复杂性 相对简单 相对复杂
类型安全 相对安全(编译器可以进行类型检查) 需要显式指定类型,可能导致类型错误
应用场景 需要运行时多态,且有共同基类的场景 需要编译期多态,或者需要处理没有共同基类的类型的场景

最后,强调几点注意事项:

  1. 内存管理: 使用类型擦除时,务必注意内存管理,避免内存泄漏。std::unique_ptr是一个不错的选择。
  2. 异常安全: 确保类型擦除的代码是异常安全的,避免在异常情况下出现资源泄漏或者状态不一致。
  3. 性能测试: 在实际应用中,需要进行性能测试,评估类型擦除带来的性能提升或者损耗。
  4. 理解原理: 理解类型擦除的原理非常重要,只有理解了原理,才能更好地使用它。

好了,今天的讲座就到这里。希望各位观众老爷们有所收获!如果有什么疑问,欢迎提问。谢谢大家!

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