C :多态容器 /迭代器与编译时间概念 /特征
C++: Polymorphic container / iterator vs compile time concept / traits
背景
这纯粹是出于教育目的。如果您不想阅读整个背景,则可以跳过底部的问题。
我编写了一个队列接口(摘要类)和2个基于调整数组和链接列表的派生实现。
template <typename T>
class IQueue {
public:
virtual void enqueue(T item) = 0;
virtual T dequeue() = 0;
virtual bool isEmpty() = 0;
virtual int size() = 0;
}
template <typename T>
class LinkedListQueue : public IQueue<T> {...}
template <typename T>
class ResizingArrayQueue : public IQueue<T> {...}
我希望能够使用符合STL的迭代器来浏览队列的元素(我知道队列不应该是迭代的),因此我可以使用for (auto e: c)
或queue.begin()
/queue.end()
。
由于我使用运行时多态性,因此我必须将客户端迭代器类添加到IQueue
,并使用PIMPL IDIOM在派生的队列类中实例化实际实现的特定特定迭代器,以避免对象切片问题。因此,增强代码看起来像:
template <typename T>
class IQueue {
public:
virtual void enqueue(T item) = 0;
virtual T dequeue() = 0;
virtual bool isEmpty() = 0;
virtual int size() = 0;
public:
class IteratorImpl {
public:
virtual void increment () = 0;
virtual bool operator== (const IteratorImpl& other) const = 0;
virtual bool operator!= (const IteratorImpl& other) const = 0;
virtual T& operator* () const = 0;
virtual T& operator-> () const = 0;
virtual void swap (IteratorImpl& other) = 0;
virtual IteratorImpl* clone() = 0;
};
public:
class ClientIterator : public std::iterator<std::forward_iterator_tag, T> {
std::unique_ptr<IteratorImpl> impl;
public:
ClientIterator(const ClientIterator& other) : impl(other.impl->clone()) {}
ClientIterator(std::unique_ptr<IteratorImpl> it) : impl(std::move(it)) {}
void swap(ClientIterator& other) noexcept {
impl->swap(*(other.impl));
}
ClientIterator& operator++ () {
impl->increment();
return *this;
}
ClientIterator operator++ (int) {
ClientIterator tmp(*this);
impl->increment();
return tmp;
}
bool operator== (const ClientIterator& other) const {
return *impl == *other.impl;
}
bool operator!= (const ClientIterator& other) const {
return *impl != *other.impl;
}
T& operator* () const {
return **impl;
}
T& operator-> () const {
return **impl;
}
};
typedef ClientIterator iterator;
virtual iterator begin() = 0;
virtual iterator end() = 0;
};
和派生类之一实现begin()
/end()
方法和派生的迭代器实现:
template <typename T>
class LinkedListQueue : public IQueue<T> {
// ... queue implementation details.
public:
class LinkedListForwardIterator : public IQueue<T>::IteratorImpl {
// ... implementation that goes through linked list.
};
typename IQueue<T>::ClientIterator begin() {
std::unique_ptr<LinkedListForwardIterator> impl(new LinkedListForwardIterator(head));
return typename IQueue<T>::iterator(std::move(impl));
}
typename IQueue<T>::ClientIterator end() {
std::unique_ptr<LinkedListForwardIterator> impl(new LinkedListForwardIterator(nullptr));
return typename IQueue<T>::iterator(std::move(impl));
}
};
现在,为了测试迭代器是否有效,我具有以下2个功能:
template <typename T>
void testQueueImpl(std::shared_ptr<IQueue<T> > queue) {
queue->enqueue(1);
queue->enqueue(2);
queue->enqueue(3);
queue->enqueue(4);
queue->enqueue(5);
queue->enqueue(6);
std::cout << "Iterator behavior check 1st: ";
for (auto e: *queue) {
std::cout << e << " ";
}
std::cout << std::endl;
std::cout << "Iterator behavior check 2nd: ";
for (auto it = queue->begin(); it != queue->end(); it++) {
std::cout << *it << " ";
}
}
void testQueue() {
auto queue = std::make_shared<LinkedListQueue<int> >();
testQueueImpl<int>(queue);
auto queue2 = std::make_shared<ResizingArrayQueue<int> >();
testQueueImpl<int>(queue2);
}
问题
如何摆脱运行时多态性(删除iqueue,删除迭代器PIMPL实现),然后重写testQueue()
/testQueueImpl()
功能,以便:
- 这些功能可以成功测试堆栈实现和堆栈迭代器,而无需具有基类指针。
- linkedlistqueue and linkedArrayqueue都遵守某种编译时间界面(存在,deSqueue,isempty,大小方法,开始/结束方法存在,两个类都包含有效的迭代器类)?/ol>
可能的解决方案
对于1)似乎我可以简单地将模板参数更改为整个容器,并且程序成功地编译并运行。但这不会检查begin()/end()/enqueue()方法的存在。
for 2)从我在互联网上找到的东西,似乎相关的解决方案涉及类型特征/sfinae/或概念(容器概念,转发迭代概念)。Boost Concepts库似乎允许注释类符合容器概念的班级,但是我对一个独立的解决方案(除了STL之外没有外部库)感兴趣。
template <typename Container> void testQueueImpl(Container queue) { queue->enqueue(1); queue->enqueue(2); queue->enqueue(3); queue->enqueue(4); queue->enqueue(5); queue->enqueue(6); std::cout << "Size: " << queue->size() << std::endl; std::cout << "Iterator behavior check 1st: "; for (auto e: *queue) { std::cout << e << " "; } std::cout << std::endl; std::cout << "Iterator behavior check 2nd: "; for (auto it = queue->begin(); it != queue->end(); it++) { std::cout << *it << " "; } std::cout << std::endl; } void testQueue() { auto queue = std::make_shared<LinkedListQueue<int> >(); testQueueImpl<std::shared_ptr<LinkedListQueue<int> > >(queue); auto queue2 = std::make_shared<ResizingArrayQueue<int> >(); testQueueImpl<std::shared_ptr<ResizingArrayQueue<int> > >(queue2); }
这是您可能想做的最小可编译示例。
请注意,目前,此示例仅支持const begin()和const end()。
添加进一步的方法和可变的迭代器是读者的练习
编辑:提供了共享相同策略类的编译时间和运行时多态性队列的工作示例。
#include <iostream>
#include <list>
#include <vector>
#include <memory>
#include <typeinfo>
#include <typeindex>
/// COMPILE TIME Polymorphic queue of objects of type Element
template<typename Element, class Policy>
struct queue_concept
{
// Define interface
struct const_iterator;
void push_back(Element e);
const_iterator begin() const;
const_iterator end() const;
// Implementation
private:
Policy _policy;
};
// implement class methods an inner classes
template<typename Element, class Policy>
struct queue_concept<Element, Policy>::const_iterator
{
using iterator_type = typename Policy::container_type::const_iterator;
const_iterator(iterator_type iter = iterator_type {})
: _iter { std::move(iter) }
{}
const Element& operator*() const {
return *_iter;
}
const_iterator& operator++() {
std::advance(_iter, 1);
}
bool operator!=(const const_iterator& other) const {
return _iter != other._iter;
}
iterator_type _iter;
};
template<typename Element, class Policy>
void queue_concept<Element, Policy>::push_back(Element e)
{
_policy._data.push_back(std::move(e));
}
template<typename Element, class Policy>
typename queue_concept<Element, Policy>::const_iterator queue_concept<Element, Policy>::begin() const
{
return const_iterator { _policy._data.begin() };
}
template<typename Element, class Policy>
typename queue_concept<Element, Policy>::const_iterator queue_concept<Element, Policy>::end() const
{
return const_iterator { _policy._data.end() };
}
/// RUNTIME Polymorphic queue of objects of type Element
template<typename Element>
struct IQueue
{
struct const_iterator
{
struct Concept {
// virtual base class so make destructor virtual...
virtual ~Concept() = default;
virtual const Element& get_element() const = 0;
virtual void increment(std::size_t distance) = 0;
bool equal_to(const Concept& rhs)
{
if (this->get_type() == rhs.get_type()) {
return unsafe_is_equal(rhs);
}
return false;
}
virtual bool unsafe_is_equal(const Concept& rhs) const = 0;
virtual std::type_index get_type() const = 0;
// provide copy support
virtual std::unique_ptr<Concept> clone() const = 0;
};
template<class Iter>
struct Model : public Concept {
Model(Iter iter) : _iter { std::move(iter) }
{}
const Element& get_element() const override {
return *_iter;
}
void increment(std::size_t distance) override {
std::advance(_iter, distance);
}
bool unsafe_is_equal(const Concept& rhs) const override {
auto _rhs = static_cast<const Model&>(rhs);
return _iter == _rhs._iter;
}
std::type_index get_type() const override {
return std::type_index(typeid(*this));
}
std::unique_ptr<Concept> clone() const override {
return std::unique_ptr<Concept> { new Model(*this) };
}
private:
Iter _iter;
};
// constructor
template<class Iter>
const_iterator(Iter iter)
: _impl { new Model<Iter> { std::move(iter) } }
{}
// default constructor - constructs an invalid iterator
const_iterator()
{}
// provide copy support since impl is a unique_ptr
const_iterator(const const_iterator& other)
: _impl { other._impl ? other._impl->clone() : std::unique_ptr<Concept>{} }
{}
const_iterator& operator=(const_iterator& other)
{
auto p = other._impl ? other._impl->clone() : std::unique_ptr<Concept>{};
std::swap(_impl, p);
}
// since we provided copy support we must provide move support
const_iterator(const_iterator&& rhs) = default;
const_iterator& operator=(const_iterator&& rhs) = default;
const Element& operator*() const {
return _impl->get_element();
}
const_iterator& operator++() {
_impl->increment(1);
return *this;
}
bool operator!=(const const_iterator& rhs) const
{
return !(_impl->equal_to(*(rhs._impl)));
}
private:
std::unique_ptr<Concept> _impl;
};
virtual void push_back(Element e) = 0;
virtual const_iterator begin() const = 0;
virtual const_iterator end() const = 0;
};
template<class Element, class Policy>
struct QueueImpl : public IQueue<Element>
{
void push_back(Element e) override {
_policy._data.push_back(std::move(e));
}
typename IQueue<Element>::const_iterator begin() const override {
return typename IQueue<Element>::const_iterator { std::begin(_policy._data) };
}
typename IQueue<Element>::const_iterator end() const override {
return typename IQueue<Element>::const_iterator { std::end(_policy._data) };
}
Policy _policy;
};
template<class Element>
struct ResizingArrayPolicy
{
using container_type = std::vector<Element>;
container_type _data;
};
template<class Element>
struct LinkedListPolicy
{
using container_type = std::list<Element>;
container_type _data;
};
template<class Element>
std::unique_ptr<IQueue<Element>> make_poly_resizing_array_queue()
{
return std::unique_ptr<IQueue<Element>> { new QueueImpl<Element, ResizingArrayPolicy<Element>> };
}
template<class Element>
std::unique_ptr<IQueue<Element>> make_poly_linked_list_queue()
{
return std::unique_ptr<IQueue<Element>> { new QueueImpl<Element, LinkedListPolicy<Element>>{} };
}
template<class Element>
queue_concept<Element, ResizingArrayPolicy<Element>> make_static_resizing_array_queue()
{
return queue_concept<Element, ResizingArrayPolicy<Element>>{};
}
template<class Element>
queue_concept<Element, LinkedListPolicy<Element>> make_static_linked_list_queue()
{
return queue_concept<Element, LinkedListPolicy<Element>>{};
}
using namespace std;
int main()
{
// create the queues
auto pq1 = make_poly_resizing_array_queue<int>();
auto pq2 = make_poly_linked_list_queue<int>();
// put data in them
pq1->push_back(10);
pq1->push_back(20);
pq2->push_back(30);
pq2->push_back(40);
// prove that iterators are assignable and moveable
IQueue<int>::const_iterator it;
it = pq1->begin();
cout << *it << endl; // should print 10
auto i2 = pq2->begin();
it = move(i2);
cout << *it << endl; // should print 30
// prove that queues are polymorphic
auto queues = vector<unique_ptr<IQueue<int>>>{};
queues.push_back(move(pq1));
queues.push_back(move(pq2));
// print the vector of queues
for(const auto& queue_ptr : queues) {
for(const auto& item : *queue_ptr) {
cout << item << endl;
}
cout << endl;
}
// now the static versions
auto q1 = make_static_resizing_array_queue<int>();
auto q2 = make_static_linked_list_queue<int>();
q1.push_back(10);
q1.push_back(20);
q2.push_back(30);
q2.push_back(40);
cout << "static queuesn";
for(const auto& item : q1) {
cout << item << endl;
}
cout << endl;
for(const auto& item : q2) {
cout << item << endl;
}
return 0;
}
尚不清楚您是否实际需要运行时多态性(例如什么?)
一种方法可以与C 容器使用的方法相似:有一个可以管理对象的分配/交易和构造/构造/破坏的类。
template <typename T, class Allocator>
class Queue
{
Allocator myAllocator;
public:
void enqueue(T item)
{
myAllocator.push(item);
}
// other operations.
};
,然后有类似
的东西template <class T, template <typename ...> class Container, class ... Args>
class BasicAllocator
{
Container<T, Args...> M_list;
public:
void push(T element)
{
M_list.push_back(element);
}
auto begin() -> decltype( std::begin(M_list) )
{ return std::begin(M_list); }
auto end() -> decltype( std::end(M_list) )
{ return std::end(M_list); }
};
template<class T>
using LinkedListAllocator = BasicAllocator<T, std::list>;
template<class T>
using LinkedListQueue = Queue<T, LinkedListAllocator<T>>;
实施dequeue
可能有点棘手。
实例示例
- 使用简单类型列表实现的指数编译时间.为什么
- 在已经使用Git的情况下减少编译时间
- C++常量数组的编译时间较长
- 编译时间文本到数字转换 (atoi)
- 在C++中执行 N 阶乘编译时间的 3 种不同/相同方法
- DLLexport 类模板实例(专用化),减少了仅标头模板库的编译时间
- 替换枚举以最大化编译时间检查的最佳方法
- 不同C++功能的编译时间
- 在预编译标头中实例化模板会缩短编译时间吗?
- 使用 SCons 提取每个编译单元的编译时间
- 将 lambda 函数转换为另一个编译单元中的普通函数会缩短编译时间吗?
- std :: Invoke_result_t编译时间语法错误
- 模板;constexpr;编译时间
- 如何实现声明功能-C 11,编译时间
- 如何减少编译时间:在包含未触及的头文件的情况下
- C++编译时间类型确定
- 特征:返回对具有编译时间尺寸检查的矩阵块的引用
- 在编译时间定义多个派生类
- 在编译时间创建查找表
- C 函数在编译时间返回类型