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c++类型擦除

news 2025/6/16 9:19:48

一、核心原理

二、常见实现方式

1. 基于继承和虚函数（经典方式）

2. 基于 std::function（现代方式）

3. 基于模板和静态多态（编译时类型擦除）

三、应用场景

四、优缺点

优点：

缺点：

五、标准库中的类型擦除示例

总结

C++ 类型擦除（Type Erasure）是一种编程技术，用于在保持运行时多态的同时隐藏具体类型信息，使代码更灵活、更通用。它通过封装类型特定的实现细节，将动态类型转换的负担从编译时转移到运行时。以下从原理、实现方式和应用场景三个方面详细介绍：

一、核心原理

类型擦除的本质是分离接口与实现：

定义统一接口：通过抽象基类或函数对象定义公共行为。
封装具体实现：将不同类型的实现细节封装在内部，对外提供统一接口。
运行时多态：通过虚函数或函数指针在运行时动态调用具体实现。

与传统继承多态的区别：

继承多态：依赖公共基类，客户端需知晓具体派生类。
类型擦除：客户端仅与接口交互，完全 unaware 具体类型。

二、常见实现方式

1. 基于继承和虚函数（经典方式）

通过抽象基类定义接口，派生类实现具体逻辑，外部使用智能指针管理对象。

示例代码：

#include <iostream> // 添加对头文件的包含
#include <memory>
#include <string>// 定义接口
class Shape {
public:virtual ~Shape() = default;virtual double area() const = 0;virtual std::string name() const = 0;
};// 具体实现类
class Circle : public Shape {
public:explicit Circle(double r) : radius(r) {}double area() const override { return 3.14 * radius * radius; }std::string name() const override { return "Circle"; }
private:double radius;
};class Rectangle : public Shape {
public:Rectangle(double w, double h) : width(w), height(h) {}double area() const override { return width * height; }std::string name() const override { return "Rectangle"; }
private:double width, height;
};// 类型擦除包装器
class AnyShape {
public:template<typename T>AnyShape(T shape) : self(std::make_unique<Model<T>>(std::move(shape))) {}double area() const { return self->area(); }std::string name() const { return self->name(); }private:struct Concept {virtual ~Concept() = default;virtual double area() const = 0;virtual std::string name() const = 0;};template<typename T>struct Model : Concept {explicit Model(T value) : data(std::move(value)) {}double area() const override { return data.area(); }std::string name() const override { return data.name(); }T data;};std::unique_ptr<Concept> self;
};// 使用示例
int main() {AnyShape s1 = Circle(5.0);AnyShape s2 = Rectangle(3.0, 4.0);// 客户端无需知道具体类型，统一调用接口std::cout << s1.name() << ": " << s1.area() << std::endl; // 输出 "Circle: 78.5"std::cout << s2.name() << ": " << s2.area() << std::endl; // 输出 "Rectangle: 12"
}

关键点：

AnyShape 是类型擦除包装器，内部持有指向 Concept 接口的指针。
Model<T> 是具体实现的适配器，将任意符合接口的类型 T 转换为统一的 Concept。

2. 基于 `std::function`（现代方式）

利用 std::function 内置的类型擦除能力，直接存储可调用对象。

示例代码：

#include <functional>
#include <string>
#include <vector>class AnyShape {
public:template<typename T>AnyShape(T shape) : area_func([shape]() { return shape.area(); }),name_func([shape]() { return shape.name(); }) {}double area() const { return area_func(); }std::string name() const { return name_func(); }private:std::function<double()> area_func;std::function<std::string()> name_func;
};// 使用示例
struct Triangle {double base, height;double area() const { return 0.5 * base * height; }std::string name() const { return "Triangle"; }
};int main() {std::vector<AnyShape> shapes;shapes.push_back(Triangle{3.0, 4.0});shapes.push_back(Circle{5.0}); // 复用前面的Circle类for (const auto& shape : shapes) {std::cout << shape.name() << ": " << shape.area() << std::endl;}
}

关键点：

std::function 可以存储任何可调用对象（函数、lambda、成员函数等）。
通过 lambda 捕获具体对象，将其方法转换为无参数的可调用对象。

3. 基于模板和静态多态（编译时类型擦除）

使用模板在编译时实现类型擦除，避免运行时开销。

示例代码：

template<typename Shape>
double calculate_area(const Shape& shape) {return shape.area(); // 静态多态：依赖Shape类型有area()方法
}// 使用示例
struct Square {double side;double area() const { return side * side; }
};int main() {Square s{5.0};std::cout << calculate_area(s) << std::endl; // 编译时确定类型
}

特点：