作者：唐風
原載：www.cnblogs.com/liyiwen
關于類型擦除，在網上搜出來的中文資料比較少，而且一提到類型擦除，檢索結果里就跑出很多 Java 和 C# 相關的文章來（它們實現“泛型”的方式）。所以，這一篇我打算寫得稍微詳細一點。 注意，這是一篇讀書筆記（《C++ template metaprogramming》第9.7小節和《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，編譯器在編譯期進行的靜態類型檢查是比較嚴格的，但有時候我們卻希望能“避過”這樣的類型檢查，以實現更靈活的功能，同時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 C++ 的庫里已經有很多這樣的應用了。比如，著名的 boost::function 和 boost::any 。當我們定義一個 function<void(int)> fun 對象，則 fun 即可以存儲函數指針，又可以存儲函數對象，注意，這兩者是不同“類型”的，而且函數對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象 fun 中，對 fun 來說，它關心的只是存儲的“對象”是不是“可以按某種形式（如void(int)）來調用”，而不關心這個“對象”是什么樣的類型。有了 function 這樣的庫，在使用回調和保存可調用“對象”的時候，我們就可以寫出更簡單且更好用的代碼來。再舉一個例子，boost::any 庫。any 可以存儲任何類型的“對象”，比如 int ，或是你自己定義的類 MyCla 的對象。這樣我們就可以使一個容器（比如 vector<boost::any> ）來存儲不同類型的對象了。
這些庫所表現出來的行為，就是這篇文章中要提到的類型擦除，類型擦除可以達到下面兩個目的：
- 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，在這個過程中，我們先以 any 這個類為依托來解釋（因為它比較“簡單”，要解釋的額外的東西比較少）。
any 這個類需要完成的主要任務是：1. 存儲任何類型的變量 2. 可以相互拷貝 3. 可以查詢所存變量的類型信息 4. 可以轉化回原來的類型（any_cast<>）
對于其中，只要說明1和2 ，就能把類型擦除的做法展示出來了，所以，我們這里只實現一個簡單的，有1、2、3功能的any類（3是為了驗證）。
首先，寫個最簡單的“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 的拷貝構造函數使用的是模板函數，因此，我們可以任何類型的對象來初始化，并把該對象的復本保存在 content_obj 這個數據成員中。那么，問題是，content_obj 用什么類型好呢？
首先我們會想到，給 class 加個模板參數 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 會創造出不同類型的 x 對象，完全不符合我們要將不同類型對象賦給同一類型對象的初衷。接著，我們會想到用 void *（C 式的泛型手法啊……），但這樣的話，我們就會完全地丟失原對象的信息，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，以我淺薄的認識，我只知道像 MFC 式的侵入式手法……，嗯，此路不通。
這個困境的原因在于，在C++ 的類中，除了類模板參數之外，無法在不同的成員（函數、數據成員）之間共享類型信息。在這個例子中，content_obj 無法得知構造函數中的 T 是什么類型。所以類型無法確定。
為了妥善保存原對象復本，我們定義兩個輔助類，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，定義了一個基類 placeholder ，它是一個非模板的抽象類，這個抽象類的兩個接口是用來抽取對保存在 my_any 中的各種類型對象的共性的，也就是，我們需要對被保存在 my_any 中的數據進行拷貝和類型查詢。
然后用一個模板類 holder 類繼承 placeholder 類，這個（類）派生類實現了基類的虛函數，并保存了相關的數據。注意，派生類的數據成員的類型是 ValueType，也就是完整的原對象類型，由于它是個模板類，各個類成員之間可以共享類模板參數的信息，所以，可以方便地用原數據類型來進行各種操作。
有了這兩個輔助類，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);
}
};
現在 my_any 類的 content_obj 的類型定義成 placeholder * ，在構造函數（和賦值運算符）中，我們使用 holder 類來生成真實的“備份”，由于 holder 是模板類，它可以根據賦值的對象相應地保存要我們需要的信息。這樣，我們就完成了在賦值的時候的“類型擦除”啦。在 my_any 的 public 接口（ type() ）中，利用 placeholder 的虛函數，我們就可以進行子類提供的那些操作，而子類，已經完整地保存著我們需要的原對象的信息。
接著我們看下 boost::function 中的 Type Erasure。相比起 boost::any 來，function 庫要復雜得多，因為這里只是想講 boost::function 中的“類型擦除”，而不是 boost::function 源碼剖析，所以，我們仍然本著簡化簡化再簡化的目的，只挑著討論一些“必要”的成分。
我們假設 function 不接受任何參數。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，請跳過這段代碼，后面會有分段的解釋：
#include <iostream>
#include <boost/type_traits/is_pointer.hpp>
#include <boost/mpl/if.hpp>
using namespace std;
union any_callable {
void (*fun_prt) (); // 函數指針
void * fun_obj; // 函數對象
};
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 中標準庫已經有它啦
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，數據成員放什么？因為我們需要存儲函數指針，也需要存儲函數對象，所以，這里定義一個聯合體：
union any_callable {
void (*fun_prt) (); // 函數指針
void * fun_obj; // 函數對象
};
用來存放相應的“調用子”。另外兩個數據成員（函數指針）是為了使用上的方便，用于存儲分別針對函數指針和函數對象的相應的“操作方法”。對于函數指針和函數對象這兩者，轉型（cast）的動作都是不一樣的，所以，我們定義了兩個輔助類 fun_prt_manager 和 fun_obj_manager，它們分別定義了針對函數指針和函數對象進行類型轉換，然后再引發相應的“調用”和“銷毀”的動作。
接下來是類的兩個 assign 函數，它們針對函數針指和函數對象，分別用不同的方法來初始化類的數據成員，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 My_function 的對象是用函數指針賦值時，invoke 被 fun_prt_manager 的 static 來初始化，這樣，在“調用”時就把數據成員轉成函數指針。同理，可以知道函數對象時相應的做法（這里就不啰嗦了）。
但如何確定在進行賦值時，哪一個 assign 被調用呢？我想，熟悉 STL 的你，看到 funtion_ptr_tag 和 funtion_obj_tag 時就笑了，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 if_ 簡化了代碼。這樣，我們就完成了賦值運算符的編寫：
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;
}
有了這個函數，針對函數指針和函數對象，My_function 的數據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 可以獲取在內部保存下函數指針或是函數對象，并在需要的時候，調用它們。函數指針或是函數對象，一旦賦值給 My_funtion，在外部看來，便失去了原來的“類型”信息，而只剩下一個共性——可以調用（callable）
這兩個例子已經向你大概展示了 C++ 的“類型擦除”，最后，再補充一下我的理解：C++中所說的“類型擦除”不是有“標準實現”的一種“技術”（像 CRTP 或是 Trais 技術那樣有明顯的實現“規律”），而更像是從使用者角度而言的一種“行為模式”。比如對于一個 boost::function 對象來說，你可以用函數指針和函數對象來對它賦值，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 對象的類型，只保留了“可以調用”這么一個共性，而 boost::any ，則只保留各種類型的“type查詢”和“復制”能力這兩個“共性”，其它類型信息一概抹掉。這種“類型擦除”并不是真正的語言層面擦除的，正如我們已經看到的，這一切仍然是在 C++ 的類型檢查系統中工作，維持著類型安全上的優點。