c++ - 指向类成员作为模板参数的指针(具有以下类的类型)

Question

我正在尝试将内部列表定义为具有类型安全 container_of 成员函数的模板类。为此，模板必须包括容器的类型和在容器中可以找到列表的偏移量(成员指针)。 (请参阅下面的 C 示例)。

应该是这样的:

template <class T, List * T::*MEMBER> class List { ... }

但是在 <> 中还没有定义 List 类型，所以不能使用。我的下一次尝试是:

template <class T, class L, L * T::*MEMBER> class List { ... };

class Container {
    List<Container, List<???>, Container::list> list;
};

但是“???”应该放什么呢？那必须是整个 <>，包括 ???。所以你会得到一个无休止的递归。

接下来我试着在类型安全上作弊:

template <class T, void * T::*M>
class List {
public:
    T * container_of() {
        return (T *)(intptr_t(this) - intptr_t(&((T *)NULL)->M)); \
    }
};

class Container {
public:
    List<Container, Container::item1> item1;
};

但这给了我:

error: incomplete type 'Container' used in nested name specifier
       List<Container, Container::item1> item1;
                       ^

---

使用 C 预处理器 makros 我想要的看起来像这样:

#include <unistd.h> // for NULL
#include <stdint.h> // for intptr_t
#include <iostream>

#define LIST(TYPE, MEMBER) \
class List_ ## MEMBER ## _t { \
public: \
    TYPE * container_of() { \
    return (TYPE *)(intptr_t(this) - intptr_t(&((TYPE *)NULL)->MEMBER)); \
    } \
} MEMBER

class Container {
public:
    LIST(Container, item1);
    LIST(Container, item2);
};

int main() {
    Container c;
    std::cout << "Container at " << &c << std::endl;
    std::cout << "Container of item1 = " << c.item1.container_of() << std::endl;
    std::cout << "Container of item2 = " << c.item2.container_of() << std::endl;
}

那么这完全可以用模板来表达吗？

Answer 1

我找到了一个解决方案。它不是 100% 完美，但接近。

想法是有 3 个类:

class Item;
template <class T, Item T::*M> class Iterator;
template <class T, Item T::*M> class Head;

Item 类包含构成内存中实际列表的下一个/上一个链接。这不包括容器类型和列表在容器内的位置，并且(就其本身而言)是不安全的。但是 Item 没有修改列表的方法。所有的修改都是通过 Iterator 完成的。甚至构造也是使用 Head 来获得 Iterator 并初始化 next/prev 指针。

Iterator 类可以从容器 T 构造，并具有运算符++、--、== 和 !=，可以将容器插入当前位置或将另一个迭代器后面的容器移动到它自己的列表中。迭代器还有返回当前容器的运算符 * 和表示是否已到达列表末尾的运算符 bool。

Head 类包含一个特殊的 head 和 tail Item，分别带有 prev==NULL 和 next==NULL。它们很特殊，因为它们不在容器 T 的实例中，并且标记列表的开头和结尾。除了保存结束标记之外，Head 还提供了创建指向头、尾、第一个和最后一个元素的迭代器的方法。这允许迭代列表或在开头或结尾插入。

有一个第 4 类 ConstIterator，它类似于 Iterator，但用于 const 访问。

注意:这只是最低限度的测试。剩下的错误留给读者自己修正。

---

class Item;
template <class T, Item T::*M> class Iterator;
template <class T, Item T::*M> class ConstIterator;
template <class T, Item T::*M> class Head;

template<class T, Item T::*M>
T * container_of(Item *item) {
    return (T *)(intptr_t(item) - intptr_t(&(((T *)NULL)->*M)));
}

template<class T, Item T::*M>
const T * container_of(const Item *item) {
    return (const T *)(intptr_t(item) - intptr_t(&(((const T *)NULL)->*M)));
}

class Item {
public:
    template <class T, Item T::*M> Item(Head<T, M> *head, T *container) {
        assert((container_of<T, M>(this)) == container);
        head->tail().insert_before(container);
    }
    ~Item() {
        if (next_) next_->prev_ = prev_;
        if (prev_) prev_->next_ = next_;
        next_ = NULL;
        prev_ = NULL;
    }
private:
    template <class T, Item T::*M> friend class Iterator;
    template <class T, Item T::*M> friend class ConstIterator;
    template <class T, Item T::*M> friend class Head;
    Item(Item *next__, Item *prev__) : next_(next__), prev_(prev__) { }
    Item(const Item &) = delete;
    Item & operator =(const Item &) = delete;
    Item *next_;
    Item *prev_;
};

template <class T, Item T::*M>
class Iterator {
public:
    Iterator() : item_(NULL) { }
    Iterator(T *container) : item_(&(container->*M)) { }
    ~Iterator() { }
    operator bool() const {
        assert(item_);
        // not head and not tail
        return ((item_->next_ != NULL) && (item_->prev_ != NULL));
    }
    T & operator *() {
        assert(item_);
        if ((item_->next_ == NULL) || (item_->prev_ == NULL)) {
            // head or tail has no container
            assert(false);
        }
        return *container_of<T, M>(item_);
    }
    T & operator ->() {
        assert(item_);
        if ((item_->next_ == NULL) || (item_->prev_ == NULL)) {
            // head or tail has no container
            assert(false);
        }
        return *container_of<T, M>(item_);
    }
    Iterator & operator ++() {
        assert(item_);
        assert(item_->next_);
        item_ = item_->next_;
        return *this;
    }
    Iterator & operator --() {
        assert(item_);
        assert(item_->prev_);
        item_ = item_->prev_;
        return *this;
    }
    bool operator ==(const Iterator &other) {
        assert(item_);
        return (item_ == other.item_);
    }
    bool operator !=(const Iterator &other) {
        assert(item_);
        return (item_ != other.item_);
    }
    void move_before(Iterator &from) {
        assert(item_);
        assert(from);
        assert(item_->prev_);

        Item *before = item_->prev_;
        Item *after = item_;
        Item *item = from.item_;

        // remove from old list
        item->next_->prev_ = item->prev_;
        item->prev_->next_ = item->next_;

        // insert into this list
        item->next_ = after;
        item->prev_ = before;
        before->next_ = item;
        after->prev_ = item;
    }
    void insert_before(T *container) {
        assert(item_);
        assert(item_->prev_);

        Item *before = item_->prev_;
        Item *after = item_;
        Item *item = &(container->*M);

        // insert into this list
        item->next_ = after;
        item->prev_ = before;
        before->next_ = item;
        after->prev_ = item;
    }
private:
    Item *item_;
};

template <class T, Item T::*M>
class ConstIterator {
public:
    ConstIterator() : item_(NULL) { }
    ConstIterator(const T *container) : item_(&(container->*M)) { }
    ~ConstIterator() { }
    operator bool() const {
        assert(item_);
        // not head and not tail
        return ((item_->next_ != NULL) && (item_->prev_ != NULL));
    }
    const T & operator *() const {
        assert(item_);
        if ((item_->next_ == NULL) || (item_->prev_ == NULL)) {
            // head or tail has no container
            assert(false);
        }
        return *container_of<T, M>(item_);
    }
    const T & operator ->() const {
        assert(item_);
        if ((item_->next_ == NULL) || (item_->prev_ == NULL)) {
            // head or tail has no container
            assert(false);
        }
        return *container_of<T, M>(item_);
    }
    ConstIterator & operator ++() {
        assert(item_);
        assert(item_->next_);
        item_ = item_->next_;
        return *this;
    }
    ConstIterator & operator --() {
        assert(item_);
        assert(item_->prev_);
        item_ = item_->prev_;
        return *this;
    }
    bool operator ==(const ConstIterator &other) const {
        assert(item_);
        return (item_ == other.item_);
    }
    bool operator !=(const ConstIterator &other) {
        assert(item_);
        return (item_ != other.item_);
    }
private:
    const Item *item_;
};

template <class T, Item T::*M>
class Head {
public:
    Head() : head_(&tail_, NULL), tail_(NULL, &head_) { }
    ~Head() { }
    Iterator<T, M> head() {
        return Iterator<T, M>(container_of<T, M>(&head_));
    }
    ConstIterator<T, M> head() const {
        return ConstIterator<T, M>(container_of<T, M>(&head_));
    }
    Iterator<T, M> tail() {
        return Iterator<T, M>(container_of<T, M>(&tail_));
    }
    ConstIterator<T, M> tail() const {
        return ConstIterator<T, M>(container_of<T, M>(&tail_));
    }
    Iterator<T, M> first() {
        return Iterator<T, M>(container_of<T, M>(head_.next_));
    }
    ConstIterator<T, M> first() const {
        return ConstIterator<T, M>(container_of<T, M>(head_.next_));
    }
    Iterator<T, M> last() {
        return Iterator<T, M>(container_of<T, M>(tail_.prev_));
    }
    ConstIterator<T, M> last() const {
        return ConstIterator<T, M>(container_of<T, M>(tail_.prev_));
    }
    bool is_empty() const {
        return (first() == tail());
    }
private:
    Head(const Head &) = delete;
    Head & operator =(const Head &) = delete;
    Item head_;
    Item tail_;
};