墊片(Shim)
在C++中,邏輯相關的類型通常具有不兼容的接口和操作,這使得人們有時難于、甚至無法進行泛化的類型操縱。
在泛型世界里,各式各樣的語法妨礙語義的例子不計其數。當我們將一個類型改變為另一個跟它語義類似的類型時,總希望編譯器能夠幫我們打點一切,但顯然它不能,除非我們可以幫幫它。因此,我們的做法就是往縫隙里插入一些墊片(shim),從而讓一些東西妥當地貼合起來。軟件工程中有個經典的“萬靈藥”,即增加一個間接層。這正是墊片概念全部的本質。
在模板出現以前的古典主義C++里,基于虛函數表的多態機制體現出的是名字一致性:即派生類重寫父類同名的方法。而模板函數的出現帶來了結構一致性:對于看起來一樣的東西,我們可以期望它們具有相同的行為。簡單地說,結構一致性確保類型的編譯器兼容,而名字一致性則取保類型的運行期兼容性。
但結構一致性的弱點在于結構上一致的代碼很可能做的是語義上不一致的事情。而墊片的使用在避免這個問題方面邁出了顯著的一步。墊片表現了一種約定,借助該約定,結構一致性得以擴展以包含每個墊片對應的一個明確的語義。墊片是對所謂的結構一致性的一種提煉和升華,即語義一致性。
特性墊片用于從它們為之定義的類型的實例身上抽取某些特性或狀態。如:
// 舉例:特性墊片
// 從各種指針類型上取出出原生指針特性。
template<typename T>
inline T* get_ptr(T* p)
{
return p;
}
template<typename TL
inline T* get_ptr(std::auto_ptr<T>& p)
{
return p.get();
}
template<typename T>
inline T const * get_ptr(std::auto_ptr<T> const & p)
{
return p.get();
}
template<typename T>
inline T* get_ptr(comstl::interface_ptr<T>& p)
{
return p.get_interface_ptr();
}
邏輯墊片是特性墊片的一個精化,它們用于匯報實例的狀態。
// 舉例:邏輯墊片
// 泛化對任何容器的狀態的訪問。
template<typename T>
bool is_empty(T const & c)
{
return c.empty();
}
bool is_empty(CString const & s)
{
return s.IsEmpty();
}
bool is_empty(comstl::interface_ptr const & p)
{
return NULL == p.get_interface_ptr();
}
控制墊片用于操縱它們所服務的類型的實例。
如:make_empty() 或 dump_contents()等。
轉換墊片將一組互相兼容的類型的實例轉換至同一個目標類型。
轉換墊片的返回值可能由中間臨時對象提供,對于這種墊片,其返回值只能在包含該墊片的表達式當中被使用。
訪問墊片是特性墊片和轉換墊片的復合體,被用來訪問它們為之定義的類型的實例值。
// 舉例:訪問墊片
// 將構造函數的參數轉型為C const*,然后轉遞給init()方法,因此該類可以被用在任何字符串類型上。
template<typename C>
class X
{
public:
explicit X(C const * p)
{
init(c_str_ptr(p));
}
template<typename S>
explicit X(S const & s)
{
init(c_str_ptr(s));
}
...
private:
void init(C const * p);
...
};
inline char const * c_str_ptr(char const * p)
{
return p;
}
inline wchar_t const * c_str_ptr(wchar_t const * s)
{
return s;
}
template<typename T>
inline T const * c_str_ptr(std::basic_string<T> const & s)
{
return s.c_str();
}
template<typename T>
inline T const * c_str_ptr(stlsoft::basic_frame_string<T> const & s)
{
return s.c_str();
}
// 應用場景
//
char const * s1 = ...
std::basic_string<char> s2 = ...
std::basic_string<wchar_t> s3 = ...
X<char> o1(s1);
X<char> o2(s2);
X<wchar_t> o3(s3;
飾面(Veneer)
飾面用于將類型或功能一種精細的方式覆蓋于現行類型之上,飾面通常于將“最終接觸面”覆蓋在一個現有的、實質性的類型之上。飾面也可以用于將特定的行為綁定到一個簡單的類型上。
飾面是一種具有如下特征的類模板:
- 它繼承自它的主參數化類型,而且通常是公有繼承。
- 它適應并遵循它的主參數化類型的多態性質,這意味著飾面不能定義它自己的任何虛函數,盡管它可以重寫它的主參數化類型中定義的那些虛函數。
- 它不能定義屬于自己的任何非靜態成員變量。
第2、3點意味著飾面不能改變它的主參數化類型的內存占用多少,這是通過EDO(Empty Derived Optimization,空派生類優化)實現的。
螺栓(Bolt)
飾面和螺栓之間的區別并不明顯,但它們是為不同的意圖而誕生的。飾面是用于“潤飾”現存類型的,而螺栓則是用于顯著改變或完善類型的行為特征的。
螺栓是具有如下特征的類模板:
- 它們繼承(通常是公有繼承)自它們的主參數化類型。
- 它們和它們的主參數化類型的多態性質相適應。但除了重寫虛函數外,還可以定義自己的虛函數。
- 由于它們可以定義自己的成員變量、虛函數或從另外的非空類繼承,所以它們可能會增添額外的內存占用。
擬編譯期多態:逆反式螺栓
template<typename T>
struct Base
{
void Do()
{
static_cast<T*>(this)->Do();
}
};
struct Derived : public Base<Derived>
{
void Do();
};
template<typename T>
void f(Base<T>* p)
{
p->Do();
}
通過上例,可以看到,我們通過編譯期多態,替代了運行期多態(虛函數),而實現了設計模式之模板方法,避免了運行期間接調用所帶來的開銷。