基于模板的类型擦除

在C\C++中主要有三种类型擦除的方式：

• 基于void*的类型擦除，如C标准库的qsort函数。这中用法在C中是常见的。但因为是通过void*来操作数据，所以存在类型不安全的问题。

  • 函数原型：void qsort(void base, size_t nmemb, size_t size, int (compar)(const void , const void ))
  • 用途：对数组进行排序
  • 类型擦除：base 是一个指向数组元素的指针，其类型为 void*。这使得 qsort 可以处理任何类型的数组。
• 面向对象的类型擦除，也就是C++中的继承，通过父类的引用或指针来调用子类的接口。这样解决了void*的类型不安全问题，但是继承也带来了代码复杂度提升，以及侵入式设计的问题（子类的实现比如知道父类和其继承体系）。
• 基于模板的类型擦除，技术上来说，是编写一个类，它提供模板的构造函数和非虚函数接口提供功能；隐藏了对象的具体类型，但保留其行为。典型的就是std::function。

下面是一个示例代码，实现了通用的任务，这些任务可以是任意的函数对象。

#include <iostream>
#include <memory>

// 抽象基类TaskBase作为公共接口不变；其子类TaskModel写成类模板的形式，其把一个任意类型F的函数对象function_作为数据成员。
struct TaskBase
{
    virtual ~TaskBase() {}
    virtual void operator()() const = 0;
};

template <typename F>
struct TaskModel : public TaskBase
{
    F functor_;

    template <typename U> // 构造函数是函数模板
    TaskModel(U &&f) : functor_(std::forward<U>(f))
    {
    }

    void operator()() const override
    {
        functor_();
    }
};

// 对TaskModel的封装
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()();
    }
};

/////////////测试代码/////////////////

// 普通函数
void func1()
{
    std::cout << "type erasure 1" << std::endl;
}

// 重载括号运算符的类
struct func2
{
    void operator()() const
    {
        std::cout << "type erasure 2" << std::endl;
    }
};
int main()
{
    // 普通函数
    MyTask t1{&func1};
    t1(); // 输出"type erasure 1"

    // 重载括号运算符的类
    MyTask t2{func2{}};
    t2(); // 输出"type erasure 2"

    // Lambda
    MyTask t3{
        []()
        { std::cout << "type erasure 3" << std::endl; }};
    t3(); // 输出"type erasure 3"

    return 0;
}

总结下，要实现基于模板的类型擦除主要有三层的代码。

• 第一层是concept，TaskBase。考虑需要的功能后，以虚函数的形式提供对应的接口I。
• 第二层是model，TaskModel。这是一个类模板，用来存放用户提供的类T，T应当语法上满足接口I；重写concept的虚函数，在虚函数中调用T对应的函数。
• 第三层是wrapper，对应MyTask。存放一个concept指针p指向model对象m；拥有一个模板构造函数，以适应任意的用户提供类型；以非虚函数的形式提供接口I，通过p调用m。

从技术上来说，这种类型擦除的技巧可算是运行时多态的一种另类实现。它避免了一个类通过继承这种带来类间强耦合关系的方式，去满足某个运行时多态使用（polymorphic use）的需求。

测试代码表明，用户可以把任意的满足void()签名接口的函数对象作为任务，但不需要手动继承任何的代码或编写虚函数。实现任务类的运行时多态的代码被限制在库的范围内，不会以继承的方式侵入用户的代码或其他的库。

这里还有另一个示例。

首先，定义图形的概念接口ShapeConcept，接口类中定义了接口函数Draw。然后，通过模板ShapeModel具体实现了ShapeConcept的概念。最后，定义Shape类来封装ShapeModel。

这样，定义了Draw接口的正方形Square或者是通过特化实现了Draw的圆形Circle，都可以统一到Shape下，而不需要继承它。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <utility>
#include <vector>

// 图形的概念接口
struct ShapeConcept
{
    virtual void Draw() const = 0;
};

// 图形概念的具体实现
template <typename T>
struct ShapeModel : ShapeConcept
{
    ShapeModel(T &&val) : shape_{std::forward<T>(val)} {}
    void Draw() const override
    {
        shape_.Draw(); // 这里假设具体图形有Draw()成员函数。如果没有，需要特化该模板。
    }

private:
    // 这里直接存储具体图形的值
    T shape_;
};

// 父类
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) {}
    // 正方形的绘图函数是一个成员函数
    void Draw() const
    {
        std::cout << "Draw square of side: " << side_ << std::endl;
    }

private:
    float side_;
};

//---------------------圆-----------------------------
class Circle
{
public:
    explicit Circle(float radius) : radius_(radius) {}
    float GetRadius() const { return radius_; }

private:
    float radius_;
};
// 圆的绘图是一个全局函数
void DrawCircle(const Circle &circle)
{
    std::cout << "Draw circle of radius: " << circle.GetRadius() << std::endl;
}
// 因为圆的绘图函数是一个全局函数，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;
}