c++ - 策略类设计，但没有使整个用户类成为模板

Question

考虑以下代码，其中 Writer_I充当接口(interface)。其他符合以正确形式编写元素类型的约定的类可以从它派生。这里，printf 和streams 被选为策略，Calculator作为用户。
该接口(interface)以某种方式存储在 Calculator和 write_i隐藏模板的所有丑陋细节，使类成员函数保持干净。大多数事情在编译时仍然是已知的，并且可以内联。
我知道这是基于虚拟 + 派生的多态性的经典案例，其中可以将非模板化接口(interface)存储在 Calculator 中。和 write成员函数被调用。但是在编译时知道类型，并且仍然将分辨率推迟到运行时似乎很糟糕。它暗示某些运行时值会影响所选的写入方法，而事实并非如此。
一种方法是制作 Calculator模板并将其实现保存在 cpp 文件中，并将 cpp 文件包含在测试中。这太恶心了。 Calculator的每一种方法会有没用的template <>在顶端。它只被实例化一次。 (如果你可以测试两次，但是如果制作 Calculator 模板的唯一原因是测试，我会说测试太侵入性了。)
我看到了谈话https://www.youtube.com/watch?v=mU_n_ohIHQk (元多态 - Jonathan Boccara - Meeting C++ 2020 开幕主题演讲)https://meetingcpp.com/mcpp/slides/2020/meta_polymorphism_pdf3243.pdf
它展示了一种具有 std::any 的技术(将存储 Writer_I 实例引用)+ lambda(包含实际的 Impl 类型)+ 函数指针(可以稍后调用)。幻灯片 79-83。我试过但很快就卡住了:How to have a function pointer to a generic lambda?
在出于好奇而进行了所有这些徒劳的尝试之后，我的解决方案是使用 iterator pattern并释放 Calculator从“写作”的责任。 Calculator应该只是计算数据，而不是写入数据。这样就解决了问题!调用者通过运行 iterator++ 获取数据并以任何喜欢的方式编写它。或者甚至可能不写，而直接测试数字。 Calculator仍然是非模板，因此在 cpp 文件中。
但是，如果有任何方法可以实现我对当前设计的预期，我会很高兴看到它。
我知道有一些矛盾的约束，比如使用类型删除，它可能在内部使用 virtual，但在 Stack Overflow 上允许好奇心，对 (; ?
https://godbolt.org/z/W74833
编辑:澄清一下，这里的用户类是 Calculator这不应该是一个模板。所有作者都可以保留在标题中，无需隐藏。对于CRTP，main中实际需要了解每个编写器实现的作用。

#include <any>
#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <utility> 

enum class Elem {
  HEADER,
  FOOTER,
};

template <typename Impl> class Writer_I {
public:
  template <Elem elemtype, typename... T> decltype(auto) write(T &&...args) {
    return static_cast<Impl *>(this)->template write<elemtype>(
        std::forward<T>(args)...);
  }
  virtual ~Writer_I() {}
};

class Streams : public Writer_I<Streams> {
public:
  template <Elem elemtype, std::enable_if_t<elemtype == Elem::HEADER, int> = 0>
  void write(int a) {
    std::cout << a << std::endl;
  }
  template <Elem elemtype, std::enable_if_t<elemtype == Elem::FOOTER, int> = 0>
  void write(float a) {
    std::cout << "\n-------\n" << a << std::endl;
  }
};

class Printf : public Writer_I<Printf>{
public:
  template <Elem elemtype, std::enable_if_t<elemtype == Elem::HEADER, int> = 0>
  void write(int a) {
    std::printf("%d\n", a);
  }
  template <Elem elemtype, std::enable_if_t<elemtype == Elem::FOOTER, int> = 0>
  void write(float a) {
    std::printf("\n--------\n%f\n", a);
  } 
};

/* Restrictions being that member functions header and footer
   remain in cpp files. And callers of Calculator's constructor
   can specify alternative implementations. */
class Calculator {
  std::any writer;

public:
  template <typename Impl>
  Calculator(Writer_I<Impl> &writer) : writer(writer) {}

  template <Elem elemtype, typename... T> void write_i(T &&...args) {
    // MAGIC_CAST ----------------------↓
    auto a = std::any_cast<Writer_I<Printf>>(writer);
    a.write<elemtype>(std::forward<T>(args)...);
  }

  void header() {
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
      write_i<Elem::HEADER>(i);
    }
  }

  void footer() {
    write_i<Elem::FOOTER>(-100.0f);
  }
};
int main() {
  Streams streams;
//   Calculator calc_s(streams); // throws bad_cast.
//   calc_s.header();
//   calc_s.footer();


  Printf printf_;
  Calculator calc_p(printf_); 
  calc_p.header();
  calc_p.footer();
  return 0;
}

Answer 1

您的设计约束是 Calculator不需要是模板，并且必须使用编写器进行初始化。
这意味着它与编写器的接口(interface)必须是动态的。它可以通过虚拟接口(interface)类，通过存储函数指针，或稍后传递指针，或类似的方式。
由于您不希望修复 writer 的多态接口(interface)，因此排除了虚拟接口(interface)。
现在，我们可以手动执行此操作。

void header() {
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    write_i<Elem::HEADER>(i);
  }
}

void footer() {
  write_i<Elem::FOOTER>(-100.0f);
}

这些是我们需要键入删除的调用。我们需要输入删除到他们的签名，并记住以后如何做。

template<class T>
struct tag_t { using type=T; };
template<class T>
constexpr tag_t<T> tag = {};

template<class Sig, class Any=std::any>
struct any_type_erase;
template<class R, class...Args, class Any>
struct any_type_erase<R(Args...)> {
  std::function<R(Any&, Args&&...args)> operation;

  any_type_erase() = default;
  any_type_erase(any_type_erase const&) = default;
  any_type_erase(any_type_erase &&) = default;
  any_type_erase& operator=(any_type_erase const&) = default;
  any_type_erase& operator=(any_type_erase &&) = default;

  template<class T, class F>
  any_type_erase(tag_t<T>, F&& f) {
    operation = [f=std::forward<F>(f)](Any& object, Args&&...args)->R {
      return f(*std::any_cast<T*>(&object), std::forward<Args>(args)...);
    };
  }

  R operator()(Any& any, Args...args)const {
    return operation(any, std::forward<Args>(args)...);
  }
};

any_type_erase是有点 helper 做装箱的操作。对于 const操作，传入 std::any const作为第二个论点。
添加这些成员:

std::any writer;
any_type_erase<void(int)> print_header;
any_type_erase<void(float)> print_footer;

template<class T>
static auto invoke_writer() {
  return [](auto& writer, auto&&..args) {
    writer.write<T>(decltype(args)(args)...);
  };
}

template<typename Impl>
Calculator(Writer_I<Impl>& writer) :
  writer(writer),
  print_header( tag<Writer_I<Impl>>, invoke_writer<Elem::HEADER>() ),
  print_footer( tag<Writer_I<Impl>>, invoke_writer<Elem::FOOTER>() )
{}

void header() {
  for (int i = 0; i < 10; i++) {
    print_header( writer, i );
  }
}

void footer() {
  print_footer( writer, -100.0f );
}