作者：唐風(fēng)
原載：www.cnblogs.com/liyiwen
關(guān)于類型擦除，在網(wǎng)上搜出來的中文資料比較少，而且一提到類型擦除，檢索結(jié)果里就跑出很多 Java 和 C# 相關(guān)的文章來（它們實(shí)現(xiàn)“泛型”的方式）。所以，這一篇我打算寫得稍微詳細(xì)一點(diǎn)。 注意，這是一篇讀書筆記（《C++ template metaprogramming》第9.7小節(jié)和《C++ テンプレートテクニック》第七章），里面的例子都來自原書。
在 C++ 中，編譯器在編譯期進(jìn)行的靜態(tài)類型檢查是比較嚴(yán)格的，但有時(shí)候我們卻希望能“避過”這樣的類型檢查，以實(shí)現(xiàn)更靈活的功能，同時(shí)又盡量地保持類型安全。聽起來很矛盾，而且貌似很難辦到。但其實(shí) C++ 的庫(kù)里已經(jīng)有很多這樣的應(yīng)用了。比如，著名的 boost::function 和 boost::any 。當(dāng)我們定義一個(gè) function<void(int)> fun 對(duì)象，則 fun 即可以存儲(chǔ)函數(shù)指針，又可以存儲(chǔ)函數(shù)對(duì)象，注意，這兩者是不同“類型”的，而且函數(shù)對(duì)象可以是無限種類型的，但這些不同類型的“東西”都可以存在同一類型的對(duì)象 fun 中，對(duì) fun 來說，它關(guān)心的只是存儲(chǔ)的“對(duì)象”是不是“可以按某種形式（如void(int)）來調(diào)用”，而不關(guān)心這個(gè)“對(duì)象”是什么樣的類型。有了 function 這樣的庫(kù)，在使用回調(diào)和保存可調(diào)用“對(duì)象”的時(shí)候，我們就可以寫出更簡(jiǎn)單且更好用的代碼來。再舉一個(gè)例子，boost::any 庫(kù)。any 可以存儲(chǔ)任何類型的“對(duì)象”，比如 int ，或是你自己定義的類 MyCla 的對(duì)象。這樣我們就可以使一個(gè)容器（比如 vector<boost::any> ）來存儲(chǔ)不同類型的對(duì)象了。
這些庫(kù)所表現(xiàn)出來的行為，就是這篇文章中要提到的類型擦除，類型擦除可以達(dá)到下面兩個(gè)目的：
- 用類型 S 的接口代表一系列類型 T 的的共性。
- 如果 s 是 S 類型的變量，那么，任何 T 類型的的對(duì)象都可以賦值給s。
好了，下面我們具體地看看類型擦除是怎么回事，在這個(gè)過程中，我們先以 any 這個(gè)類為依托來解釋（因?yàn)樗容^“簡(jiǎn)單”，要解釋的額外的東西比較少）。
any 這個(gè)類需要完成的主要任務(wù)是：1. 存儲(chǔ)任何類型的變量 2. 可以相互拷貝 3. 可以查詢所存變量的類型信息 4. 可以轉(zhuǎn)化回原來的類型（any_cast<>）
對(duì)于其中，只要說明1和2 ，就能把類型擦除的做法展示出來了，所以，我們這里只實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的，有1、2、3功能的any類（3是為了驗(yàn)證）。
首先，寫個(gè)最簡(jiǎn)單的“架子”出來：
class my_any {
?? content_obj;
public:
template <typename T>
my_any(T const& a_right);
};
這里，由于 my_any 的拷貝構(gòu)造函數(shù)使用的是模板函數(shù)，因此，我們可以任何類型的對(duì)象來初始化，并把該對(duì)象的復(fù)本保存在 content_obj 這個(gè)數(shù)據(jù)成員中。那么，問題是，content_obj 用什么類型好呢？
首先我們會(huì)想到，給 class 加個(gè)模板參數(shù) T ，然后……，不用然后了，這樣的話，使用者需要寫這樣的代碼：
my_any<someType> x = y;
不同的 y 會(huì)創(chuàng)造出不同類型的 x 對(duì)象，完全不符合我們要將不同類型對(duì)象賦給同一類型對(duì)象的初衷。接著，我們會(huì)想到用 void *（C 式的泛型手法啊……），但這樣的話，我們就會(huì)完全地丟失原對(duì)象的信息，使得后面一些操作（拷貝、還原等）變得很困難，那么，再配合著加入一些變量用于保存原對(duì)象信息？你是說用類似“反射”的能力？好吧，我只好說，我以為 C++ 不存在原生的反射能力，以我淺薄的認(rèn)識(shí)，我只知道像 MFC 式的侵入式手法……，嗯，此路不通。
這個(gè)困境的原因在于，在C++ 的類中，除了類模板參數(shù)之外，無法在不同的成員（函數(shù)、數(shù)據(jù)成員）之間共享類型信息。在這個(gè)例子中，content_obj 無法得知構(gòu)造函數(shù)中的 T 是什么類型。所以類型無法確定。
為了妥善保存原對(duì)象復(fù)本，我們定義兩個(gè)輔助類，先上代碼（來自 boost::any 的原碼）：
class placeholder
{
public: // structors
virtual ~placeholder() {
}
public: // queries
virtual const std::type_info & type() const = 0;
virtual placeholder * clone() const = 0;
};
template<typename ValueType>
class holder : public placeholder
{
public: // structors
holder(const ValueType & value): held(value)
{
}
public: // queries
virtual const std::type_info & type() const {
return typeid(ValueType);
}
virtual placeholder * clone() const {
return new holder(held);
}
public: // representation
ValueType held;
};
首先，定義了一個(gè)基類 placeholder ，它是一個(gè)非模板的抽象類，這個(gè)抽象類的兩個(gè)接口是用來抽取對(duì)保存在 my_any 中的各種類型對(duì)象的共性的，也就是，我們需要對(duì)被保存在 my_any 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行拷貝和類型查詢。
然后用一個(gè)模板類 holder 類繼承 placeholder 類，這個(gè)（類）派生類實(shí)現(xiàn)了基類的虛函數(shù)，并保存了相關(guān)的數(shù)據(jù)。注意，派生類的數(shù)據(jù)成員的類型是 ValueType，也就是完整的原對(duì)象類型，由于它是個(gè)模板類，各個(gè)類成員之間可以共享類模板參數(shù)的信息，所以，可以方便地用原數(shù)據(jù)類型來進(jìn)行各種操作。
有了這兩個(gè)輔助類，我們就可以這樣寫 my_any 了:
class My_any
{
placeholder * content_obj;
public:
template <typename T>
My_any(T const& a_right):content_obj(new T(a_right))
{}
template <typename T>
My_any & operator = (T const& a_right) {
delete content_obj;
content_obj = new T(a_right);
return *this;
}
My_any(My_any const& a_right)
: content_obj(a_right.content_obj ?
a_right.content_obj->clone() : 0)
{
}
std::type_info& type() const {
return content_obj ? content_obj->type() : typeid(void);
}
};
現(xiàn)在 my_any 類的 content_obj 的類型定義成 placeholder * ，在構(gòu)造函數(shù)（和賦值運(yùn)算符）中，我們使用 holder 類來生成真實(shí)的“備份”，由于 holder 是模板類，它可以根據(jù)賦值的對(duì)象相應(yīng)地保存要我們需要的信息。這樣，我們就完成了在賦值的時(shí)候的“類型擦除”啦。在 my_any 的 public 接口（ type() ）中，利用 placeholder 的虛函數(shù)，我們就可以進(jìn)行子類提供的那些操作，而子類，已經(jīng)完整地保存著我們需要的原對(duì)象的信息。
接著我們看下 boost::function 中的 Type Erasure。相比起 boost::any 來，function 庫(kù)要復(fù)雜得多，因?yàn)檫@里只是想講 boost::function 中的“類型擦除”，而不是 boost::function 源碼剖析，所以，我們?nèi)匀槐局?jiǎn)化簡(jiǎn)化再簡(jiǎn)化的目的，只挑著討論一些“必要”的成分。
我們假設(shè) function 不接受任何參數(shù)。為了更好的說明，我先帖代碼，再一步一步解釋，注意，下面是一片白花花的代碼，幾沒有注釋，千萬別開罵，請(qǐng)?zhí)^這段代碼，后面會(huì)有分段的解釋：
#include <iostream>
#include <boost/type_traits/is_pointer.hpp>
#include <boost/mpl/if.hpp>
using namespace std;
union any_callable {
void (*fun_prt) (); // 函數(shù)指針
void * fun_obj; // 函數(shù)對(duì)象
};
template<typename Func, typename R>
struct fun_prt_manager {
static R invoke(any_callable a_fp) {
return reinterpret_cast<Func>(a_fp.fun_prt)();
}
static void destroy(any_callable a_fp) {}
};
template<typename Func, typename R>
struct fun_obj_manager {
static R invoke(any_callable a_fo) {
return (*reinterpret_cast<Func*>(a_fo.fun_obj))();
}
static void destroy(any_callable a_fo) {
delete reinterpret_cast<Func*>(a_fo.fun_obj);
}
};
struct funtion_ptr_tag {};
struct funtion_obj_tag {};
template <typename Func>
struct get_function_tag {
typedef typename boost::mpl::if_<
boost::is_pointer<Func>, // 在 VC10 中標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)已經(jīng)有它啦
funtion_ptr_tag,
funtion_obj_tag
>::type FunType;
};
template <typename Signature>
class My_function;
template <typename R>
class My_function<R()> {
R (*invoke)(any_callable);
void (*destory)(any_callable);
any_callable fun;
public:
~My_function() {
clear();
}
template <typename Func>
My_function& operator = (Func a_fun) {
typedef typename get_function_tag<Func>::FunType fun_tag;
assign(a_fun, fun_tag());
return *this;
}
R operator () () const {
return invoke(fun);
}
template <typename T>
void assign (T a_funPtr, funtion_ptr_tag) {
clear();
invoke = &fun_prt_manager<T, R>::invoke;
destory = &fun_prt_manager<T, R>::destroy;
fun.fun_prt = reinterpret_cast<void(*)()>(a_funPtr);
}
template <typename T>
void assign (T a_funObj, funtion_obj_tag) {
clear();
invoke = &fun_obj_manager<T, R>::invoke;
destory = &fun_obj_manager<T, R>::destroy;
fun.fun_obj = reinterpret_cast<void*>(new T(a_funObj));
}
private:
void clear() {
if (!destory) {
destory(fun);
destory = 0;
}
}
};
int TestFun() {
return 0;
}
class TestFunObj {
public:
int operator() () const {
return 1;
}
};
int main(int argc, char* argv[])
{
My_function<int ()> fun;
fun = &TestFun;
cout<<fun()<<endl;
fun = TestFunObj();
cout<<fun()<<endl;
}
首先需要考慮的是，數(shù)據(jù)成員放什么？因?yàn)槲覀冃枰鎯?chǔ)函數(shù)指針，也需要存儲(chǔ)函數(shù)對(duì)象，所以，這里定義一個(gè)聯(lián)合體：
union any_callable {
void (*fun_prt) (); // 函數(shù)指針
void * fun_obj; // 函數(shù)對(duì)象
};
用來存放相應(yīng)的“調(diào)用子”。另外兩個(gè)數(shù)據(jù)成員（函數(shù)指針）是為了使用上的方便，用于存儲(chǔ)分別針對(duì)函數(shù)指針和函數(shù)對(duì)象的相應(yīng)的“操作方法”。對(duì)于函數(shù)指針和函數(shù)對(duì)象這兩者，轉(zhuǎn)型（cast）的動(dòng)作都是不一樣的，所以，我們定義了兩個(gè)輔助類 fun_prt_manager 和 fun_obj_manager，它們分別定義了針對(duì)函數(shù)指針和函數(shù)對(duì)象進(jìn)行類型轉(zhuǎn)換，然后再引發(fā)相應(yīng)的“調(diào)用”和“銷毀”的動(dòng)作。
接下來是類的兩個(gè) assign 函數(shù)，它們針對(duì)函數(shù)針指和函數(shù)對(duì)象，分別用不同的方法來初始化類的數(shù)據(jù)成員，你看：
invoke = &fun_prt_manager<T, R>::invoke;
destory = &fun_prt_manager<T, R>::destroy;
fun.fun_prt = reinterpret_cast<void(*)()>(a_funPtr);
當(dāng) My_function 的對(duì)象是用函數(shù)指針賦值時(shí)，invoke 被 fun_prt_manager 的 static 來初始化，這樣，在“調(diào)用”時(shí)就把數(shù)據(jù)成員轉(zhuǎn)成函數(shù)指針。同理，可以知道函數(shù)對(duì)象時(shí)相應(yīng)的做法（這里就不啰嗦了）。
但如何確定在進(jìn)行賦值時(shí)，哪一個(gè) assign 被調(diào)用呢？我想，熟悉 STL 的你，看到 funtion_ptr_tag 和 funtion_obj_tag 時(shí)就笑了，是的，這里的 get_function_tag 用了 type_traise 的技法，并且，配合了 boost::mpl 提供的靜態(tài) if_ 簡(jiǎn)化了代碼。這樣，我們就完成了賦值運(yùn)算符的編寫：
template <typename Func>
My_function& operator = (Func a_fun) {
typedef typename get_function_tag<Func>::FunType fun_tag;
assign(a_fun, fun_tag());
return *this;
}
有了這個(gè)函數(shù)，針對(duì)函數(shù)指針和函數(shù)對(duì)象，My_function 的數(shù)據(jù)成員都可以正確的初始化了。
如我們所見，在 My_function 中，使用了很多技巧和輔助類，以使得 My_funtion 可以獲取在內(nèi)部保存下函數(shù)指針或是函數(shù)對(duì)象，并在需要的時(shí)候，調(diào)用它們。函數(shù)指針或是函數(shù)對(duì)象，一旦賦值給 My_funtion，在外部看來，便失去了原來的“類型”信息，而只剩下一個(gè)共性——可以調(diào)用（callable）
這兩個(gè)例子已經(jīng)向你大概展示了 C++ 的“類型擦除”，最后，再補(bǔ)充一下我的理解：C++中所說的“類型擦除”不是有“標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)”的一種“技術(shù)”（像 CRTP 或是 Trais 技術(shù)那樣有明顯的實(shí)現(xiàn)“規(guī)律”），而更像是從使用者角度而言的一種“行為模式”。比如對(duì)于一個(gè) boost::function 對(duì)象來說，你可以用函數(shù)指針和函數(shù)對(duì)象來對(duì)它賦值，從使用者的角度看起來，就好像在賦值的過程中，funtion pointer 和 functor 自身的類型信息被抹去了一樣，它們都被“剝離成”成了boost::function 對(duì)象的類型，只保留了“可以調(diào)用”這么一個(gè)共性，而 boost::any ，則只保留各種類型的“type查詢”和“復(fù)制”能力這兩個(gè)“共性”，其它類型信息一概抹掉。這種“類型擦除”并不是真正的語(yǔ)言層面擦除的，正如我們已經(jīng)看到的，這一切仍然是在 C++ 的類型檢查系統(tǒng)中工作，維持著類型安全上的優(yōu)點(diǎn)。