我能否在编译时使用模板健壮地构建具有多个已知类型和已知最大深度的树?
Can I robustly construct a tree with multiple known types and known maximum depth at compile time with templates?
我最近有了一个想法,我将尝试创建一个"列表"树。也就是说,每一层都是一个列表的树,所以它不是二叉树。此外,我想尝试让树的每一层都有不同的类型,特别是四种不同的类型——每一层一个。最后,我想看看是否可以在编译时通过使用三个不同的模板来固定树的高度。
tree_middle,对于树的中间层,
template<typename a, typename b, typename c>
struct tree_middle
{
tree_middle *m_prev;
tree_middle *m_next;
a *m_upper;
b *m_node;
c *m_lower;
};
tree_bottom,对于树的底部,
template<typename a, typename b>
struct tree_bottom
{
tree_bottom *m_prev;
tree_bottom *m_next;
a *m_upper;
b *m_node;
};
和tree_top表示树的顶端。
template<typename a, typename b>
struct tree_top
{
tree_top *m_prev;
tree_top *m_next;
a *m_node;
b *m_lower;
};
在尝试了不同的实现之后,我基本上采用了一些变通方法,其中我使用了一个表示倒数第二个树级别的类型:
template<typename a, typename b, typename c>
struct tree_prebottom
{
tree_prebottom *m_prev;
tree_prebottom *m_next;
a *m_upper;
b *m_node;
tree_bottom<tree_prebottom, c> *m_lower;
};
通过定义另一个模板,我可以创建一个具有三种不同类型的固定在三层的树。注意,在这个模板中,three_tree的作用是tree_top。这很接近我想要的。
template<typename a, typename b, typename c>
struct three_tree
{
three_tree *m_prev;
three_tree *m_next;
a *m_node;
tree_prebottom<three_tree, b, c> *m_lower;
};
更进一步,我最终得到了一个模板,它可以生成我正在寻找的类型,即four_tree。但注意到这里的滑稽表演了吗?我在这里写"通用"代码在一个相当宽松的意义,同意吗?它唯一的通用之处就是消耗的类型。注意:当我注意到four_tree没有适当的链接回到顶层时,这一部分被编辑了。
template<typename a, typename b, typename c, typename d>
struct tree_threebottom
{
tree_threebottom *m_prev;
tree_threebottom *m_next;
a *m_upper;
b *m_node;
tree_prebottom<tree_threebottom, c, d> *m_lower;
};
template<typename a, typename b, typename c, typename d>
struct four_tree
{
four_tree *m_prev;
four_tree *m_next;
a *m_node;
tree_threebottom<four_tree, b, c, d> *m_lower;
};
问题是,是否有更好更优雅的方法来做到这一点?我在尝试做原始实现时遇到的障碍是,当你为模板指定类型输入时,你不能将你现在"进入"的类型作为参数传递。因此,由于某种循环依赖,我的方法永远无法创建完整的类型。如果你只使用tree_top和tree_bottom:
template<typename a, typename b>
struct tree_bottom
{
tree_bottom *m_prev;
tree_bottom *m_next;
a *m_upper;
b *m_node;
};
template<typename a, typename b>
struct tree_top
{
tree_top *m_prev;
tree_top *m_next;
a *m_node;
b *m_lower;
};
模板本身很好,直到您尝试使用它们定义实际类型。例如
typedef tree_top< int, tree_bottom<tree_top<int, tree_bottom< /*see the problem?*/, short> > int_short_tree;
请注意,树的实现非常简单,但我正在寻找模拟我在这里找到的树模板:http://archive.gamedev.net/archive/reference/programming/features/coretree2/index.html我也在其他地方看到过类似的实现,但它们都假设由单一类型组成的树。对此的自然反应可能是,"为什么不使用多态性呢?"我也见过这种技术的实际应用,比如在LLVM项目中,虽然我对它没有任何问题,但我很想知道我是否可以静态地(在编译时)构造一个类型来颠覆对多态性的需求,因为在我的特殊情况下,我知道所有涉及的类型,并且我知道树有一个固定的高度(4)。
我还考虑过将继承与模板结合使用,以实现更健壮的解决方案,但是如果存在的话,我还没有找到解决方案。在我看来,我可以手动创建这类类型,包括具有5个或更多关卡的树。是我碰到了模板系统的限制,还是我不够聪明?
我想我知道你想要什么,以及你如何才能实现它。但是,我认为它不太适合SO格式。
首先,创建&使用树:
int main()
{
// We want a tree with 4 levels.
// The node type of the 0th level should be `int`,
// of the 1st level `double` and so on.
// (0th level = tree root)
// And we initialize the root node with the `int` 42.
auto my_tree = make_tree_root < int, double, char, float, int > (42);
// add children and navigate through the tree
my_tree.add_child(1.23);
my_tree.add_child(4.56);
my_tree.get_child(1).add_child('x');
my_tree.get_child(1).get_child(0).add_child(1.2f);
my_tree.print();
}
现在是混乱的背景。请注意,这是一个概念验证,它有很多缺陷,没有注释可能是一种祝福。特别是用于减少代码复制的多重继承产生的问题比解决的问题要多。
#include <cstddef>
#include <iostream>
#include <vector>
template < typename... TP >
struct type_vector
{
private:
template < std::size_t t_count, typename TT, typename... TTP >
struct access_elem { using value = typename access_elem < t_count-1, TTP... > :: value; };
template < typename TT, typename... TTP >
struct access_elem < 0, TT, TTP... > { using value = TT; };
public:
template < std::size_t t_id >
using elem = typename access_elem < t_id, TP... > :: value;
};
template < typename, std::size_t, std::size_t >
struct tree_node;
template < typename T_type_vector, std::size_t t_level, std::size_t t_maxLevel >
struct tree_all_base
{
using node = typename T_type_vector::template elem < t_level >;
protected:
node m_node;
public:
explicit tree_all_base(node p) : m_node(p) {}
void change_node(node);
node get_node() const { return m_node; }
void print() const
{
std::cout << "node: " << m_node << std::endl;
}
};
template < typename T_type_vector, std::size_t t_level, std::size_t t_maxLevel >
struct tree_down_base
{
using child = tree_node < T_type_vector, t_level+1, t_maxLevel >;
private:
std::vector<child> m_children;
public:
void add_child(typename child::node p)
{
using derived_type = tree_node < T_type_vector, t_level, t_maxLevel >;
m_children.push_back( child{p, static_cast<derived_type*>(this)} );
}
child const& get_child(std::size_t id) const { return m_children.at(id); }
child& get_child(std::size_t id) { return m_children.at(id); }
// further methods like `remove_child` etc
protected:
void print() const
{
std::cout << "children: ";
for(child const& c : m_children)
{
std::cout << c.get_node() << ", ";
}
std::cout << std::endl;
for(child const& c : m_children)
{
c.print();
}
std::cout << std::endl;
}
};
template < typename T_type_vector, std::size_t t_level, std::size_t t_maxLevel >
struct tree_up_base
: public tree_all_base < T_type_vector, t_level, t_maxLevel >
{
using tree_all_base_ = tree_all_base<T_type_vector,t_level,t_maxLevel>;
using parent = tree_node < T_type_vector, t_level-1, t_maxLevel >;
using node = typename tree_all_base_::node;
protected:
parent* m_parent;
tree_up_base(node p_node, parent* p)
: tree_all_base_(p_node), m_parent(p)
{}
};
template < typename T_type_vector, std::size_t t_level, std::size_t t_maxLevel >
struct tree_node
: public tree_up_base <T_type_vector, t_level, t_maxLevel>
, public tree_down_base<T_type_vector, t_level, t_maxLevel>
{
using node = typename tree_all_base<T_type_vector,t_level,t_maxLevel>::node;
private:
/* inherit ctor....*/
using tree_up_base_ = tree_up_base<T_type_vector,t_level,t_maxLevel>;
using tree_down_base_ = tree_down_base<T_type_vector,t_level,t_maxLevel>;
using tree_node_parent = tree_node<T_type_vector,t_level-1,t_maxLevel>;
friend struct tree_down_base < T_type_vector, t_level-1, t_maxLevel >;
tree_node(node p, tree_node_parent* pb) : tree_up_base_(p, pb) {}
public:
void print() const
{
tree_up_base_::print();
tree_down_base_::print();
}
};
// tree root specialization
template < typename T_type_vector, std::size_t t_maxLevel >
struct tree_node < T_type_vector, 0, t_maxLevel >
: public tree_all_base <T_type_vector, 0, t_maxLevel>
, public tree_down_base<T_type_vector, 0, t_maxLevel>
{
public:
/* inherit ctor..... */
using tree_all_base_ = tree_all_base<T_type_vector,0,t_maxLevel>;
using tree_down_base_ = tree_down_base<T_type_vector,0,t_maxLevel>;
using node = typename tree_all_base_ :: node;
tree_node(node p) : tree_all_base_(p) {}
public:
void print() const
{
tree_all_base_::print();
tree_down_base_::print();
}
};
// tree leaf specialization
template < typename T_type_vector, std::size_t t_maxLevel >
struct tree_node < T_type_vector, t_maxLevel, t_maxLevel >
: public tree_up_base <T_type_vector, t_maxLevel, t_maxLevel>
{
private:
/* inherit ctor.... */
using tree_up_base_ = tree_up_base<T_type_vector,t_maxLevel,t_maxLevel>;
using node = typename tree_up_base_ :: node;
using tree_node_parent = tree_node<T_type_vector,t_maxLevel-1,t_maxLevel>;
friend struct tree_down_base < T_type_vector, t_maxLevel-1, t_maxLevel >;
tree_node(node p, tree_node_parent* pb) : tree_up_base_(p, pb) {}
};
template < typename... TP >
tree_node < type_vector<TP...>, 0, sizeof...(TP)-1 >
make_tree_root(typename type_vector<TP...>::template elem<0> node)
{ return {node}; }
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