c++ - 模板类的编译时计数器

Question

想象一下，你有很多类，它们有很多不同的模板参数。每个类都有一个方法 static void f() .您想将所有这些函数指针收集到一个列表 L 中。

运行时解决方案很简单:

typedef void (*p)();
std::vector<p> L;
int reg (p x) { static int i = 0; L.push_back(x); return i++; } // also returns an unique id

template <typename T> struct regt { static int id; };
template <typename T> int regt<T>::id = reg (T::f);

template < typename ... T > struct class1 : regt< class1<T...> > { static void f(); };
template < typename ... T > struct class2 : regt< class2<T...> > { static void f(); };
// etc.

编译器知道所有f()编译时所有实例化类的 s。因此，理论上应该可以生成这样的列表(一个 const std::array<p, S> L 和一些 S )作为编译时常量列表。但是怎么办？ (也欢迎使用 C++0x 解决方案)。

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我为什么需要这个？

在只有 256 kB(用于代码和数据)的架构上，我需要为传入的类 ID 生成对象。现有的序列化框架或上面的运行时解决方案不必要地庞大。如果没有模板，编译时解决方案会很简单，但我想保留模板提供的所有优势。

Answer 1

手动

您可以做的最简单的事情就是手动滚动代码，我不认为模板可以为您带来多少好处，所以我将使用普通类，其中 A, B... 代表您的类型的特定实例化。这允许对类型进行编译时初始化，代价是每当向系统添加新类型时都必须记住更新查找表:

typedef void (*function_t)();
function_t func[] = {
    &A::f,
    &B::f,
    &C::f
};

从维护的角度来看，我会推荐这个。系统自动化将使代码在未来更难理解和维护。

宏

最简单的最自动化的，可能会生成更少的代码是一个宏生成系统，它只使用宏。由于第一种方法将大量使用宏，因此我将自动生成函数，就像您在上一个问题中所做的那样。如果您(希望)放弃通过宏生成完整代码的路径，则可以删除该部分代码。

为了避免在不同的上下文中重新键入类型的名称，您可以定义一个宏，其中包含任何上下文所需的所有数据，然后使用其他宏来过滤在每个特定环境中要使用的内容(以及如何使用)上下文:

// This is the actual list of all types, the id and the code that you were
// generating in the other question for the static function:
#define FOREACH_TYPE( macro ) \
    macro( A, 0, { std::cout << "A"; } ) \
    macro( B, 1, { std::cout << "B"; } ) \
    macro( C, 2, { std::cout << "C"; } )

// Now we use that recursive macro to:
// Create an enum and calculate the number of types used
#define ENUM_ITEM( type, id, code ) \
    e_##type,
enum AllTypes {
    FOREACH_TYPE( ENUM_ITEM )
    AllTypes_count
};
#undef ENUM_ITEM

// Now we can create an array of function pointers
typedef void (*function_t)();
function_t func[ AllTypes_count ];

// We can create all classes:
#define CREATE_TYPE( type, the_id, code ) \
struct type {\
   static const int id = the_id; \
   static void func() code\
};
FOREACH_TYPE( CREATE_TYPE )
#undef CREATE_TYPE

// And create a function that will 
#define REGISTER_TYPE( type, id, code ) \
    func[ i++ ] = &type::func;

void perform_registration() {
   int i = 0;
   FOREACH_TYPE( REGISTER_TYPE );
};
#undef REGISTER_TYPE

// And now we can test it
int main() {
   perform_registration();
   for ( int i = 0; i < AllTypes_count; ++i ) {
      func[ i ]();
   }
}

另一方面，这是一个维护噩梦，非常脆弱且难以调试。添加新类型是微不足道的，只需在 FOREACH_TYPE 宏中添加一个新行就大功告成了……一旦失败，祝你好运……

模板和元编程

另一方面，使用模板可以接近但无法达到类型的单一定义点。您可以通过不同的方式自动执行一些操作，但至少您需要自己定义类型并将它们添加到类型列表中以获得其余功能。

使用 C++0x 代码简化实际 type_list 的定义，您可以从定义类型开始，然后创建 type_list。如果您想避免使用 C++0x，请查看 Loki 库，但对于 C++0x，类型列表就足够简单了:

template <typename ... Args> type_list {}; // generic type list
typedef type_list< A, B, C, D > types;     // our concrete list of types A, B, C and D
                                           // this is the only source of duplication:
                                           // types must be defined and added to the
                                           // type_list manually [*]

现在我们需要使用一些元编程来对类型列表进行操作，例如我们可以计算列表中元素的数量:

template <typename List> struct size;     // declare
template <typename T, typename ... Args>  // general case (recursion)
struct size< type_list<T,Args...> > {
   static const int value = 1 + size< type_list<Args...>::value;
};
template <>                               // stop condition for the recursion
struct size< type_list<> > {
   static const int value = 0;
};

拥有类型列表的大小是解决我们问题的第一步，因为它允许我们定义一个函数数组:

typedef void (*function_t)();                 // signature of each function pointer
struct registry {
   static const int size = ::size< types >::value;
   static const function_t table[ size ];
};
function_t registry::table[ registry::size ]; // define the array of pointers

现在我们要在该数组中注册每个特定类型的静态函数，为此我们创建一个辅助函数(封装为类型中的静态函数以允许部分特化)。请注意，这个具体部分被设计为在初始化期间运行:它不会是编译时间，但成本应该是微不足道的(我会更担心所有模板的二进制大小):

template <typename T, int N>                         // declaration
struct register_types_impl;
template <typename T, typename ... Args, int N>      // general recursion case
struct register_types_impl< type_list<T,Args...>, N> {
   static int apply() {
      registry::table[ N ] = &T::f;                  // register function pointer
      return register_types_impl< type_list<Args...>, N+1 >;
   }
};
template <int N>                                     // stop condition
struct register_types_impl< type_list<>, int N> {
   static int apply() { return N; }
};
// and a nicer interface:
int register_types() {
   register_types_impl< types, 0 >();
}

现在我们需要一个 id 函数将我们的类型映射到函数指针，在我们的例子中是类型在类型列表中的位置

template <typename T, typename List, int N>      // same old, same old... declaration
struct id_impl;
template <typename T, typename U, typename ... Args, int N>
struct id_impl< T, type_list<U, Args...>, N > {  // general recursion
   static const int value = id_impl< T, type_list<Args...>, N+1 >;
};
template <typename T, typename ... Args, int N>  // stop condition 1: type found
struct id_impl< T, type_list<T, Args...>, N> {  
   static const int value = N;
};
template <typename T, int N>                     // stop condition 2: type not found
struct id_impl< T, type_list<>, N> {
   static const int value = -1;
}
// and a cleaner interface
template <typename T, typename List>
struct id {
   static const int value = id_impl<T, List, 0>::value;
};

现在您只需要在运行时触发注册，在任何其他代码之前:

int main() {
   register_types(); // this will build the lookup table
}

^[*] 好吧...某种程度上，您可以使用宏技巧来重用类型，因为宏的使用是有限的，维护/调试并不难。