c++编译期多态——接上次CTAD随笔

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上次在CTAD中，提了一下此特性可以结合C++编译期多态使用，效果更好。那什么是编译期多态呢？

这我们可能要先简单介绍下运行期多态的概念了，运行期多态也是基本所有高级编程语言都支持的特性，类比Rust 中的trait， Java 中的interface, C++ 中的virtual 虚函数父类和子类继承关系等。

这里还是以C++为例，进行接下来的介绍，其它语言实现运行期多态的方式各有不同，如果大家感兴趣，请评论留言，最重要的关注点点啊，大兄弟。你想知道的这里都有。

C++运行期多态，其实是通过虚函数表实现的，如果一个C++类中存在virtual 关键字定义的函数，此类默认会存在一个指向虚函数表的指针。

如何证明这件事呢？ 有个好办法，看看汇编那就一目了然了，俗话说的好，汇编之下没秘密嘛。

说整就整，看下图：

然后看下对应的汇编中，类定义的部分：

首先，上面代码是没意义的哈，如果开启-O优化，那么汇编都会被优化掉了，请忽略优化。

然后我们来分析下，简单的汇编，就很一目了然了。可以看到父类TestVirtualPointer 保存了两个字段，第一个就是vtable（所谓的虚函数表指针，保存了实际虚函数表的地址），然后第二个字段是typeinfo name（实际就是指向了一个类名字的字符串），ConcreteVirtualObj类似。然后ConcreteVirtualObj 实现了虚函数，vtable 指向了虚函数表头指针位置。

编译期多态，就是靠着父类型的指针和引用指向子类型的指针和引用时，由于vtable 是类的第一个字段，所以此时父类的指针或者引用指向的具体实例对象是什么类型，在调用虚函数时，就会从对应子类型的vtable中找到对应的调用函数，达到运行期多态的效果。

运行期多态通过在一定意义上的类型擦除，实现了多态，把子类的类型全部擦除为父类型，然后在运行期，实例化对象的vtable 是谁的，就调用谁的函数这样。

下面给个简单的示例：

struct Parent {
    virtual void print_name() {
        std::cout << "parent\n";
    }
};

struct Child : Parent {
    void print_name() override {
        std::cout << "child\n";
    }
};

int main() {
    Child child;
    Parent& parent = child; // 父类型的引用指向子类型，
  																		     //或者指针(智能指针)都行，没有区别，这里偷个懒
     parent.print_name(); 
    return 0;
}

运行后会打印 child 字段。

那么C++编译期多态是什么呢？

编译期多态也称为静态多态，在一些需要多态特性设计扩展，但是又涉及高性能计算等领域，甚至连一个虚函数表跳转的指令都对运行性能有影响，而不允许使用虚函数时，那么就可以结合模板函数实现此种类型的多态。

编译期多态的优点就在于没有运行时开销，无虚函数指针，无需在运行时，跳转虚函数表查找需要执行的虚函数。但是缺点是：

一 要兜着点用，众所周知，模板会造成代码膨胀。

二. 编译时间的增长，模板的使用会延长编译时间。

三. 代码复杂度和问题定位变难，模板使用，或者元编程出现问题，大家都懂的，一堆报错看不懂。

下面给个简单的例子，大家一起看一下：

template<class T>
concept Switch = requires (T t) {
    t.turn_on();
    t.turn_off();
}; // 定义一个concept 限定模板类型

/*
定义一个模板类，此处具体含义可
简单理解成一个控制器，可以控制
所有开关的开启和关闭。
*/
template<Switch T>
class Control {
private:
    T switcher_; // 此处的T 类型，就是编译期多态，
                 //根据构造时入参的不同，可以出现不同的调用结果
public:
    Control(T switcher) : switcher_(std::move(switcher)) {}
    void power_on() {
        switcher_.turn_on();
    }
    void power_off() {
        switcher_.turn_off();
    }
};

template<class T>
Control(T t) -> Control<T>; // 我们的老朋友，CTAD

/*
定义一个具体的开关类，如下，灯光开关
*/
class LightSwitcher {
public:
    void turn_on() {
        std::cout << "light on\n";
    }
    void turn_off() {
        std::cout << "light off\n";
    }
};

int main() {
    LightSwitcher light;
    Control ctrl(light); // 通过CTAD，不需要显示指定类型
    ctrl.power_on(); // 此处即可打印light on
    ctrl.power_off(); // 此处即可打印light off
    // 如上形成编译期多态，因为编译时，类型即可确定，调用关系也确定。
    return 0;

这玩意儿就比较复杂了，给大家简单解释一下上面的代码。

我们想做的东西是，定义一个抽象的控制器，可以自动调用传入的所有抽象开关类（Switcher）并调用抽象开关类Switcher 的 turn_on 和 turn_off 方法。

然后为了展示多态， 我们定义了一个具体的灯光开关类，传入控制器中（Control类），即可通过Control类代理执行灯光的开启和关闭。

执行结果如下图所示：

这就是一个简单的编译期多态的实现，如果后期扩展，只要是实现了turn_on 和 turn_off方法的类，都可以传入后，多态调用。

上面用到了一些C++ 较新的特性，如果是C++低版本，需要使用一种叫做SFINAE 的技术进行Concept 和requires 的等效替换。

大家如果对SFINAE 技术不熟悉，就点个关注，劳烦劳烦，下一期给大家详细介绍。

跪求关注，希望各位看官顺手一点，你的关注是对我的最大鼓励。。。。

跪求关注。