C++ std::any的模擬實現(xiàn)
std::any
std::any是C++標準庫中的一個類，官網(wǎng)對它的描述如下：
類 any 描述用于任何可拷貝構造類型的單個值的類型安全容器。
類 any 的對象存儲任何滿足構造函數(shù)要求的類型的一個實例或為空，而這被稱為 any 類對象的狀態(tài)。存儲的實例被稱作所含對象。若兩個狀態(tài)均為空，或均為非空且其所含對象等價，則兩個狀態(tài)等價。
非成員 any_cast 函數(shù)提供對所含對象的類型安全訪問。
換句話說，std::any對象可以存儲任何類型的數(shù)據(jù)（單例等特殊情況除外）。這篇文章來探討一下如何自己實現(xiàn)一個Any類。
Any的基本原理
在C++這種強類型語言中，想用一種類型來保存多種類型的數(shù)據(jù)，首先想到的就是用父類指針（或引用）來保存子類，實現(xiàn)運行時多態(tài)。但問題是，我們想要保存任意類型，必須使所有類型都有一個公共的父類。在某些語言（如Java）中，有一個Object類，是所有類的父類，因此這種語言中就非常容易實現(xiàn)。但C++的類型系統(tǒng)相當混亂，原生類型沒有父類，STL的類型也沒有一個公共父類，而自定義類型也不會自動繼承自一個公共父類，因此直接用父類指針不可行。但是如果我們把模板和繼承結合一下就可以了，為每一種類型創(chuàng)建一個對應的模板類，這個模板類又繼承自一個父類。核心代碼如下：
class AnyHelperBase
{
};
template<typename T>
class AnyHelper :public AnyHelperBase
{
T data;
};
這樣我們就可以用AnyHelperBase*類型來存儲任意類型的數(shù)據(jù)了。當然，這只是大體思路，還需要具體完善。下面我們將以上述代碼為母體，添加功能。
將數(shù)據(jù)存儲到Any
Any類
在上面的代碼中，如何將數(shù)據(jù)存儲到Any？肯定需要一個AnyHelperBase*的類型。但考慮到直接操作指針不是很方便，并且std::any使用的時候并不需要指針，我們應該再寫一個類來維護AnyHelperBase*。
class Any
{
private:
class AnyHelperBase
{
public:
};
template<typename T>
class AnyHelper :public AnyHelperBase
{
public:
T data;
};
AnyHelperBase* data;
public:
};
構造函數(shù)
接下來實現(xiàn)AnyHelper的構造函數(shù)（第一個是就地構造，直接通過參數(shù)構造data，后兩個是拷貝構造）：
template<typename ...Args>
AnyHelper(Args&&... args) :data(std::forward<Args>(args)...) {}
AnyHelper(const AnyHelper& other) :data(other.data) {}
AnyHelper(const T& value) :data(value) {}
Any類的構造函數(shù)：
Any() :data(nullptr) {}
template<typename T>
Any(const T& value) : data(new AnyHelper<std::decay_t<T>>(value)) {}
//Any(const Any& other) :data( ??? ) {}
Any(Any&& other) :data(other.data)
{
other.data = nullptr;
}
注意：std::decay_t<T>的作用是去掉T的const，引用等亂七八糟的屬性，比如std::decay_t<const int&>的結果是int。例如，我們顯然不希望傳入const int與int得到不同的結果。這一點很重要，因為如果類型不匹配，后面獲取數(shù)據(jù)時就會拋出異常！
拷貝構造的困難和解決方案
在寫拷貝構造（上面代碼的第三個函數(shù)）時，我們遇到了問題。由于是深拷貝，我們肯定不能直接復制指針，而是應該再new一個對象。但問題是，我們怎么獲取另一個Any中的類型呢？這個問題似乎不好解決，因為只有在AnyHelper類內(nèi)部我們才會知道存儲的類型（這句話很重要）。但我們可以變通一下，讓AnyHelper類直接返回一個自身的拷貝的指針，我們不必關心他具體是什么類型。當然，我們使用的是AnyHelperBase*，所以AnyHelperBase類里必須就得有這個函數(shù)，換句話說，這得是一個虛函數(shù)。在這里我們又用到了多態(tài)的特性。往AnyHelperBase和AnyHelper中添加Clone函數(shù)：
class AnyHelperBase
{
public:
virtual AnyHelperBase* Clone()const = 0;
};
template<typename T>
class AnyHelper :public AnyHelperBase
{
public:
T data;
template<typename ...Args>
AnyHelper(Args&&... args) :data(std::forward<Args>(args)...) {}
AnyHelper(const AnyHelper& other) :data(other.data) {}
AnyHelper(const T& value) :data(value) {}
virtual AnyHelper* Clone()const
{
return new AnyHelper(*this);
}
};
Any類的拷貝構造函數(shù)：
Any(const Any& other) :data(other.data->Clone()) {}
賦值運算符
賦值運算符和構造函數(shù)基本一樣，需要注意的是delete原來的data。
template<typename T>
Any& operator=(const T& value)
{
if (data != nullptr)
delete data;
data = new AnyHelper<std::decay_t<T>>(value);
return *this;
}
Any& operator=(const Any& other)
{
if (data != nullptr)
delete data;
data = other.data->Clone();
return *this;
}
Any& operator=(Any&& other)
{
if (data != nullptr)
delete data;
data = other.data;
other.data = nullptr;
return *this;
}
其他賦值類函數(shù)
注意到std::any可以有空值，并且可以設置為空，我們也寫一個Reset函數(shù)將Any設為空。
void Reset()
{
if (data != nullptr)
delete data;
data = nullptr;
}
另外，為了優(yōu)化性能，并且支持一些不可移動和拷貝的類型，我們添加就地構造函數(shù)，可以直接通過參數(shù)構造一個對象。
template<typename T, typename ...Args>
std::decay_t<T>& Emplace(Args&&... args)
{
if (data != nullptr)
delete data;
auto temp = new AnyHelper<std::decay_t<T>>(std::forward<Args>(args)...);
data = temp;
return temp->data;
}
還有一個簡單的Swap，直接交換data指針：
void Swap(Any& other)
{
AnyHelperBase* temp = this->data;
this->data = other.data;
other.data = temp;
}
到這里，Any類就可以存儲數(shù)據(jù)了。
從Any獲取數(shù)據(jù)：Any轉換為其他類型
對一個實用的Any類來說，獲取數(shù)據(jù)也是必不可少的，實現(xiàn)獲取數(shù)據(jù)即將Any轉換為其他類型。對std::any來說，有std::any_cast函數(shù)來實現(xiàn)這一轉換，我們也寫一個AnyCast函數(shù)。
template<typename T>
T AnyCast(const Any& any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any.data);
if (p == nullptr)
throw std::runtime_error("Bad any cast!");
return p->data;
}
template<typename T>
T AnyCast(Any& any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any.data);
if (p == nullptr)
throw std::runtime_error("Bad any cast!");
return p->data;
}
template<typename T>
T AnyCast(Any&& any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any.data);
if (p == nullptr)
throw std::runtime_error("Bad any cast!");
return p->data;
}
template<typename T>
const T* AnyCast(const Any* any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any->data);
if (p == nullptr)
return nullptr;
return &p->data;
}
template<typename T>
T* AnyCast(Any* any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any->data);
if (p == nullptr)
return nullptr;
return &p->data;
}
AnyCast一共有5個重載（和STL中的一致），前三個是一組，后兩個是一組。前三個的特性是轉換失敗會拋出異常，后兩個接受指針，返回指針，失敗不會拋異常，而是會返回空指針。5個函數(shù)實現(xiàn)原理都是一樣的，核心就是使用dynamic_cast將AnyHelperBase*類型的data轉換為相應的AnyHelper子類。dynamic_cast是向下轉換的操作符，也支持運行時多態(tài)，如果轉換失敗會返回空指針。
獲取Any信息
到現(xiàn)在，一個Any類的核心功能已經(jīng)全部完成，不過為了模擬std::any，我們還是再添加一些獲取信息的函數(shù)。
獲取類型的type_info
我們前面說過，在我們實現(xiàn)的Any類中，只有在AnyHelper類內(nèi)部我們才會知道存儲的類型。因此，獲取類型必須從AnyHelper類下首。類似于Clone，我們再為AnyHelperBase和AnyHelper添加一個虛函數(shù)：
class AnyHelperBase
{
public:
virtual const std::type_info& Type()const = 0;
virtual AnyHelperBase* Clone()const = 0;
};
template<typename T>
class AnyHelper :public AnyHelperBase
{
public:
T data;
//構造函數(shù)省略
//...
virtual const std::type_info& Type()const
{
return typeid(T);
}
virtual AnyHelper* Clone()const
{
return new AnyHelper(*this);
}
};
這樣Any類的Type就好寫了：
const std::type_info& Type()const
{
return data->Type();
}
HasValue
沒啥好說的…
bool HasValue()const
{
return data != nullptr;
}
析構函數(shù)
在這里我提醒一下大家，雖然析構函數(shù)很簡單，但一定不要忘了寫，否則會引起內(nèi)存泄漏！檢查析構函數(shù)是一個很好的代碼習慣！
~Any()
{
if (data != nullptr)
delete data;
}
附錄：完整代碼
到這里，整個Any類就完成了。下面是完整代碼：
namespace MyStd
{
class Any
{
private:
class AnyHelperBase
{
public:
virtual const std::type_info& Type()const = 0;
virtual AnyHelperBase* Clone()const = 0;
};
template<typename T>
class AnyHelper :public AnyHelperBase
{
public:
T data;
template<typename ...Args>
AnyHelper(Args&&... args) :data(std::forward<Args>(args)...) {}
AnyHelper(const AnyHelper& other) :data(other.data) {}
AnyHelper(const T& value) :data(value) {}
virtual const std::type_info& Type()const
{
return typeid(T);
}
virtual AnyHelper* Clone()const
{
return new AnyHelper(*this);
}
};
template<typename T>
friend T AnyCast(const Any& any);
template<typename T>
friend T AnyCast(Any& any);
template<typename T>
friend T AnyCast(Any&& any);
template<typename T>
friend const T* AnyCast(const Any* any);
template<typename T>
friend T* AnyCast(Any* any);
AnyHelperBase* data;
public:
Any() :data(nullptr) {}
template<typename T>
Any(const T& value) : data(new AnyHelper<std::decay_t<T>>(value)) {}
Any(const Any& other) :data(other.data->Clone()) {}
Any(Any&& other) :data(other.data)
{
other.data = nullptr;
}
const std::type_info& Type()const
{
return data->Type();
}
bool HasValue()const
{
return data != nullptr;
}
void Reset()
{
if (data != nullptr)
delete data;
data = nullptr;
}
template<typename T>
Any& operator=(const T& value)
{
if (data != nullptr)
delete data;
data = new AnyHelper<std::decay_t<T>>(value);
return *this;
}
Any& operator=(const Any& other)
{
if (data != nullptr)
delete data;
data = other.data->Clone();
return *this;
}
Any& operator=(Any&& other)
{
if (data != nullptr)
delete data;
data = other.data;
other.data = nullptr;
return *this;
}
void Swap(Any& other)
{
AnyHelperBase* temp = this->data;
this->data = other.data;
other.data = temp;
}
template<typename T, typename ...Args>
std::decay_t<T>& Emplace(Args&&... args)
{
if (data != nullptr)
delete data;
auto temp = new AnyHelper<std::decay_t<T>>(std::forward<Args>(args)...);
data = temp;
return temp->data;
}
~Any()
{
if (data != nullptr)
delete data;
}
};
template<typename T>
T AnyCast(const Any& any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any.data);
if (p == nullptr)
throw std::runtime_error("Bad any cast!");
return p->data;
}
template<typename T>
T AnyCast(Any& any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any.data);
if (p == nullptr)
throw std::runtime_error("Bad any cast!");
return p->data;
}
template<typename T>
T AnyCast(Any&& any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any.data);
if (p == nullptr)
throw std::runtime_error("Bad any cast!");
return p->data;
}
template<typename T>
const T* AnyCast(const Any* any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any->data);
if (p == nullptr)
return nullptr;
return &p->data;
}
template<typename T>
T* AnyCast(Any* any)
{
auto p = dynamic_cast<Any::AnyHelper<std::decay_t<T>>*>(any->data);
if (p == nullptr)
return nullptr;
return &p->data;
}
}到此這篇關于C++ std::any的模擬實現(xiàn)的文章就介紹到這了,更多相關C++ std::any內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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