多态对象数组

Question

我经常遇到创建多态对象的数组或向量的需要。我通常更喜欢使用引用，而不是智能指针，指向基 class 因为它们往往更简单。

禁止数组和向量包含原始引用，因此我倾向于使用指向基 classes 的智能指针。但是，也可以选择使用 std::reference_wrapper 代替：https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/functional/reference_wrapper

从文档中我可以看出，这是它的预期用途之一，但是当包含多态对象的数组主题出现时，常见的建议似乎是使用智能指针而不是 std::reference_wrapper.

我唯一的想法是智能指针可以更整洁地处理对象的生命周期？

TL:DR;为什么智能指针，例如 std::unique_ptr 在创建多态对象数组时似乎比 std::reference_wrapper 更受欢迎？

Answer 1

简单来说：

unique_ptr 是对象的所有者。它管理拥有对象的生命周期
reference_wrapper 包装指向内存中对象的指针。它 NOT 管理包装对象的生命周期

您应该创建一个 unique_ptr（或 shared_ptr）的数组，以保证在不再需要对象时释放该对象。

Answer 2

基本上，reference_wrapper 是一个可变引用：像引用一样，它不能为空；但就像指针一样，您可以在其生命周期内对其进行赋值以指向另一个对象。

但是，与指针和引用一样，reference_wrapper 不管理对象的生命周期。这就是我们使用 vector<uniq_ptr<>> 和 vector<shared_ptr<>> 的目的：确保正确处理引用的对象。

从性能的角度来看，vector<reference_wrapper<T>> 应该与 vector<T*> 一样快且内存效率高。但是这两个 pointers/references 可能会变得悬空，因为它们不管理对象生命周期。

Answer 3

让我们试试这个实验：

#include <iostream>
#include <vector>
#include <memory>
#include <functional>

class Base {
public:
   Base() {
     std::cout << "Base::Base()" << std::endl;
   }

   virtual ~Base() {
     std::cout << "Base::~Base()" << std::endl;
   }
};

class Derived: public Base {
public:
   Derived() {
     std::cout << "Derived::Derived()" << std::endl;
   }

   virtual ~Derived() {
     std::cout << "Derived::~Derived()" << std::endl;
   }
};

typedef std::vector<std::reference_wrapper<Base> > vector_ref;
typedef std::vector<std::shared_ptr<Base> > vector_shared;
typedef std::vector<std::unique_ptr<Base> > vector_unique;

void fill_ref(vector_ref &v) {
    Derived d;
    v.push_back(d);
}

void fill_shared(vector_shared &v) {
    std::shared_ptr<Derived> d=std::make_shared<Derived>();
    v.push_back(d);
}

void fill_unique(vector_unique &v) {
    std::unique_ptr<Derived> d(new Derived());
    v.push_back(std::move(d));
}

int main(int argc,char **argv) {

   for(int i=1;i<argc;i++) {
      if(std::string(argv[i])=="ref") {
    std::cout << "vector" << std::endl;
    vector_ref v;
        fill_ref(v);
    std::cout << "~vector" << std::endl;
      } else if (std::string(argv[i])=="shared") {
    std::cout << "vector" << std::endl;
    vector_shared v;
    fill_shared(v);
    std::cout << "~vector" << std::endl;
      } else if (std::string(argv[i])=="unique") {
    std::cout << "vector" << std::endl;
    vector_unique v;
    fill_unique(v); 
    std::cout << "~vector" << std::endl;
      }
   }
}

运行共享参数：

vector
Base::Base()
Derived::Derived()
~vector
Derived::~Derived()
Base::~Base()

运行参数唯一

vector
Base::Base()
Derived::Derived()
~vector
Derived::~Derived()
Base::~Base()

运行参数引用

vector
Base::Base()
Derived::Derived()
Derived::~Derived()
Base::~Base()
~vector

解释：

shared：内存由代码的不同部分共享。在示例中，Derived 对象首先由函数 fill_shared() 中的 d 局部变量和向量所有。当代码退出时，函数对象的作用域仍然属于 vector，只有当 vector 最终离开时，对象才会被删除
unique：内存归unique_ptr所有。在示例中，Derived 对象首先由 d 局部变量拥有。但是它必须移动到向量中，转移所有权。和以前一样，当唯一的所有者离开时，对象将被删除。
ref：没有拥有语义。该对象被创建为 fill_ref() 函数的局部变量，并且可以将对该对象的引用添加到 vector 中。但是，向量不拥有内存，当代码退出 fill_ref() 函数时，对象消失，向量指向未分配的内存。

Answer 4

如果你有足够的动力，你可以写一个poly_any<Base>类型。

A poly_any<Base> 是一个 any，仅限于存储从 Base 派生的对象，并提供 .base() 方法 returns a Base& 到基础对象。

一个非常不完整的草图：

template<class Base>
struct poly_any:private std::any
{
  using std::any::reset;
  using std::any::has_value;
  using std::any::type;

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

  Base& base() { return get_base(*this); }
  Base const& base() const { return const_cast<Base const&>(get_base(const_cast<poly_any&>(*this))); }

  template< class ValueType,
    std::enable_if_t< /* todo */, bool > =true
  >
  poly_any( ValueType&& value ); // todo

  // TODO: sfinae on ValueType?
  template< class ValueType, class... Args >
  explicit poly_any( std::in_place_type_t<ValueType>, Args&&... args );  // todo

  // TODO: sfinae on ValueType?
  template< class ValueType, class U, class... Args >
  explicit poly_any( std::in_place_type_t<ValueType>, std::initializer_list<U> il,
          Args&&... args ); // todo

  void swap( poly_any& other ) {
    static_cast<std::any&>(*this).swap(other);
    std::swap( get_base, other.get_base );
  }

  poly_any( poly_any&& o ); // todo
  poly_any& operator=( poly_any&& o ); // todo

  template<class ValueType, class...Ts>
  std::decay_t<ValueType>& emplace( Ts&&... ); // todo
  template<class ValueType, class U, class...Ts>
  std::decay_t<ValueType>& emplace( std::initializer_list<U>, Ts&&... ); // todo
private:
  using to_base = Base&(*)(std::any&);
  to_base get_base = 0;
};

然后你只需要拦截所有将东西放入 poly_any<Base> 的方法并存储一个 get_base 函数指针：

template<class Base, class Derived>
auto any_to_base = +[](std::any& in)->Base& {
  return std::any_cast<Derived&>(in);
};

完成此操作后，您可以创建一个 std::vector<poly_any<Base>>，它是从 Base.

多态派生的值类型向量

注意std::any通常使用小缓冲区优化在内部存储小对象，在堆上存储大对象。但这是一个实现细节。

多态对象数组

Array of polymorphic objects

c++

arrays

polymorphism

reference

smart-pointers