多态对象数组答案

【问题标题】：Array of polymorphic objects多态对象数组
【发布时间】：2018-09-07 12:32:26
【问题描述】：

我经常遇到需要创建多态对象的数组或向量。我通常更喜欢使用对基类的引用，而不是智能指针，因为它们往往更简单。

数组和向量被禁止包含原始引用，因此我倾向于使用指向基类的智能指针。但是，也可以选择使用std::reference_wrapper：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，但是当涉及到包含多态对象的数组的话题时，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能能够更整洁地处理对象的生命周期？

TL:DR;为什么在创建多态对象数组时，像std::unique_ptr 这样的智能指针似乎比std::reference_wrapper 更受欢迎？

【问题讨论】：

如果对象在其他地方拥有，reference_wrapper 很好。但是，如果此容器拥有对象并控制其生命周期，则必须使用智能指针，例如 unique_ptr - reference_wrapper 不提供任何所有权语义。
unique_ptr 管理所拥有对象的生命周期，reference_wrapper 存储指向该对象的指针。使用 unique_ptrs 保证对象的释放！
引用只是一个引用，仍然需要有人照顾对象的生命周期。使用智能指针，您可以立即获得所需的一切
其实你的问题已经有了答案。唯一要补充的是，它不是关于“更整洁”，而是引用根本不处理生命周期
std::reference_wrapper 作为容器元素类型与常规哑指针相比没有任何优势，除了引用包装不能为空。

标签： c++ arrays reference polymorphism smart-pointers

【解决方案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 包装了指向内存中对象的指针。它不管理被包装对象的生命周期

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

【讨论】：

在处理堆中的对象时尽量使用智能指针。当我需要处理多态性时，我会像你一样使用指针，但我总是尽量不使用指针！

【解决方案2】：

如果你有足够的动力，你可以写一个poly_any<Base>类型。

poly_any<Base> 是一个any，仅限于存储派生自Base 的对象，并提供一个.base() 方法，该方法将Base& 返回到底层对象。

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;
};

然后你只需要拦截将东西放入poly_any<Base>的所有方法并存储一个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>>，它是一个由Base 多态继承的值类型的向量。

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

【讨论】：

【解决方案3】：

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

但是，像指针和引用一样，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：确保引用的对象被正确释放。

从性能的角度来看，vector<reference_wrapper<T>> 应该与vector<T*> 一样快速且内存高效。但是这两个指针/引用都可能变得悬空，因为它们没有管理对象的生命周期。

【讨论】：

【解决方案4】：

让我们来试试吧：

#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;
      }
   }
}

使用共享参数运行：

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

使用唯一参数运行

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

使用参数 ref 运行

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

解释：

共享：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 局部变量和向量拥有。当代码退出时，函数对象的作用域仍然归向量所有，只有当向量最终离开时，对象才会被删除
unique：内存归 unique_ptr 所有。在示例中，Derived 对象首先归 d 本地变量所有。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，对象会被删除。
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向量中。但是，向量不拥有内存，当代码超出 fill_ref() 函数时，对象消失，向量指向未分配的内存。

【讨论】：