#include <iostream>
#include <vector>
template<typename F>
void forUpTo(int n, F f)
{
for (int i = 0; i < n; ++i) f(i);
}
void print(int i)
{
std::cout << i << ' ';
}
int main()
{
std::vector<int> v;
forUpTo(5, [&v] (int i) { v.push_back(i); });
forUpTo(5, print); // prints 0 1 2 3 4
}
- forUpTo()可用于任何函数对象，每次使用forUpTo()都将产生一个不同的实例化，这个模板很小，但如果很大则实例化的代码也会很大。一个限制代码增长的方法是将其改为无需实例化的非模板
void forUpTo(int n, void (*f)(int))
{
for (int i = 0; i < n; ++i) f(i);
}
- 但这样就不允许接受lambda，因为lambda不能转为函数指针
forUpTo(5, [&v] (int i) { v.push_back(i); }); // 错误：lambda不能转为void(*)(int)
#include <functional>
void forUpTo(int n, std::function<void(int)> f)
{
for (int i = 0; i < n; ++i) f(i);
}
- 这个实现提供了一些静态多态方面的特点，它能处理函数对象，但本身只是单个实现的非模板函数。它使用类型擦除（type erasure）的技术做到这点，即在编译期去掉不需要关心的原有类型（与实参推断相反），类型擦除桥接了静态多态与动态多态的沟壑
#include <iostream>
#include <vector>
#include <type_traits>
template<typename R, typename... Args>
class B { // 桥接口：负责函数对象的所有权和操作
public: // 实现为抽象基类，作为类模板A动态多态的基础
virtual ~B() {}
virtual B* clone() const = 0;
virtual R invoke(Args... args) const = 0;
};
template<typename F, typename R, typename... Args>
class X : public B<R, Args...> { // 抽象基类的实现
private:
F f; // 参数化存储的函数对象类型，以实现类型擦除
public:
template<typename T>
X(T&& f) : f(std::forward<T>(f)) {}
virtual X* clone() const override
{
return new X(f);
}
virtual R invoke(Args... args) const override
{
return f(std::forward<Args>(args)...);
}
};
// 原始模板
template<typename Signature>
class A;
// 偏特化
template<typename R, typename... Args>
class A<R(Args...)> {
private:
B<R, Args...>* bridge; // 该指针负责管理函数对象
public:
A() : bridge(nullptr) {}
A(const A& other) : bridge(nullptr)
{
if (other.bridge)
{
bridge = other.bridge->clone();
}
}
A(A& other) : A(static_cast<const A&>(other)) {}
A(A&& other) noexcept : bridge(other.bridge)
{
other.bridge = nullptr;
}
template<typename F>
A(F&& f) : bridge(nullptr) // 从任意函数对象构造
{
using Functor = std::decay_t<F>;
using Bridge = X<Functor, R, Args...>; // X的实例化存储一个函数对象副本
bridge = new Bridge(std::forward<F>(f)); // 派生类到基类的转换，F丢失，类型擦除
}
A& operator=(const A& other)
{
A tmp(other);
swap(*this, tmp);
return *this;
}
A& operator=(A&& other) noexcept
{
delete bridge;
bridge = other.bridge;
other.bridge = nullptr;
return *this;
}
template<typename F>
A& operator=(F&& f)
{
A tmp(std::forward<F>(f));
swap(*this, tmp);
return *this;
}
~A() { delete bridge; }
friend void swap(A& fp1, A& fp2) noexcept
{
std::swap(fp1.bridge, fp2.bridge);
}
explicit operator bool() const
{
return bridge == nullptr;
}
R operator()(Args... args) const
{
return bridge->invoke(std::forward<Args>(args)...);
}
};
void forUpTo(int n, A<void(int)> f)
{
for (int i = 0; i < n; ++i) f(i);
}
void print(int i)
{
std::cout << i << ' ';
}
int main()
{
std::vector<int> v;
forUpTo(5, [&v] (int i) { v.push_back(i); });
forUpTo(5, print);
}
- 上述A模板还不支持函数指针提供的一个操作：测试是否两个A对象将调用相同的函数。这需要桥接口B提供一个equals操作
virtual bool equals(const B* fb) const = 0;
virtual bool equals(const B<R, Args...>* fb) const override
{
if (auto specFb = dynamic_cast<const X*> (fb))
{
return f == specFb->f; // 要求f有operator==
}
return false;
}
friend bool operator==(const A& f1, const A& f2) {
if (!f1 || !f2)
{
return !f1 && !f2;
}
return f1.bridge->equals(f2.bridge); // equals要求operator==
}
friend bool operator!=(const A& f1, const A& f2)
{
return !(f1 == f2);
}
- 这个实现还有一个问题：如果A用没有
operator==的函数对象赋值或初始化，编译将报错，即使A的operator==还没被使用。这个问题来源于类型擦除：一旦A被赋值或初始化，就丢失了函数对象的类型（派生类到基类的转换），这就要求在实例化前得知类型信息，这个信息包括对一个函数对象的operator==的调用。为此可以用SFINAE-based traits检查operator==是否可用
template<typename T>
class IsEqualityComparable {
private:
static void* conv(bool);
template<typename U>
static std::true_type test(
decltype(conv(std::declval<const U&>() == std::declval<const U&>())),
decltype(conv(!(std::declval<const U&>() == std::declval<const U&>())))
);
template<typename U>
static std::false_type test(...);
public:
static constexpr bool value = decltype(test<T>(nullptr, nullptr))::value;
};
// 构造一个TryEquals在调用类型没有合适的==时抛出异常
template<typename T, bool EqComparable = IsEqualityComparable<T>::value>
struct TryEquals {
static bool equals(const T& x1, const T& x2)
{
return x1 == x2;
}
};
class NotEqualityComparable : public std::exception {};
template<typename T>
struct TryEquals<T, false> {
static bool equals(const T& x1, const T& x2)
{
throw NotEqualityComparable();
}
};
- 在X中实现equals时，使用TryEquals替代
operator==即可达到同样的目的
virtual bool equals(const B<R, Args...>* fb) const override
{
if (auto specFb = dynamic_cast<const X*> (fb))
{
return TryEquals<F>::equals(f, specFb->f);
}
return false;
}
性能考虑
- 类型擦除同时提供了部分静态多态和动态多态的优点。使用类型擦除的泛型代码的性能更接近于动态多态，因为两者都通过虚函数使用动态分派，因此可能丢失一些静态多态的传统优点，如编译器内联调用的能力。虽然这种性能损失能否感知依赖于应用程序，但通常很容易判断。考虑相对虚函数调用开销需要执行多少工作：如果两者接近，类型擦除可能比静态多态慢得多，反之如果函数调用执行大量工作，如查询数据库、排序容器或更新用户接口，类型擦除的开销就算不上多大
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