地图、集合等的 array_view 替代方案

Question

假设我有一些类层次结构，其中有几个 virtual 函数返回容器引用：

#include <vector>
#include <set>
#include <map>
#include <unordered_set>
#include <unordered_map>

class Interface {
public:
    virtual const std::vector<int>& getArray() const = 0;
    virtual const std::set<int>& getSet() const = 0;
    virtual const std::map<int, int>& getMap() const = 0;
};

class SubclassA : public Interface {
public:
    const std::vector<int>& getArray() const override { return _vector; }
    const std::set<int>& getSet() const override { return _set; }
    const std::map<int, int>& getMap() const override { return _map; }

private:
    std::vector<int> _vector;
    std::set<int> _set;
    std::map<int, int> _map;
};

目前，只能在Interface 类的任何子类中实际返回vector、set 或map。但是，对于 vector 部分，我可以使用例如 gsl::array_view 来软化此限制：

class Interface {
public:
    virtual gsl::array_view<const int> getArray() const = 0;
    virtual const std::set<int>& getSet() const = 0;
    virtual const std::map<int, int>& getMap() const = 0;
};

class SubclassA : public Interface {
public:
    gsl::array_view<const int> getArray() const override { return _vector; }
    const std::set<int>& getSet() const override { return _set; }
    const std::map<int, int>& getMap() const override { return _map; }

private:
    std::vector<int> _vector;
    std::set<int> _set;
    std::map<int, int> _map;
};

class SubclassB : public Interface {
public:
   gsl::array_view<const int> getArray() const override { return _array; }
//    const std::set<int>& getSet() const override { return _set; }
//    const std::map<int, int>& getMap() const { return _map; }

private:
    std::array<int, 3> _array;
    std::unordered_set<int> _set;
    std::unordered_map<int, int> _map;
};

所以问题是，有没有替代 array_view 与其他容器类型一起使用？基本上，我想要的是一个轻量级对象，我可以从一个函数返回，该函数将充当某个容器的不可变视图，而无需指定特定的容器类型。将std::set 推到array_view 之类的东西对我来说甚至是有意义的，但支持的操作更少（例如，没有随机访问）。 map 显然是一个不同的野兽，需要不同的 view 支持关联查找，但即使对于 map，我认为能够说 array_view<const std::pair<const int, int>> 也会很有用。我要求太多了吗？或者也许有合理的方法来实现这一点？或者甚至可能存在此类“视图”的现有实现？

PS：继承不是先决条件——我只是认为这是解决问题的最简单方法。

Answer 1

如果您只是在寻找类型擦除的范围，您可以查看boost::any_range：

using IntRange = boost::any_range<
                     int,
                     boost::forward_traversal_tag,
                     int,
                     std::ptrdiff_t>;

int sum(IntRange const& range) {
    return std::accumulate(range.begin(), range.end(), 0);
}

int main()
{
    std::cout << sum(std::vector<int>{1, 2, 3}) << std::endl;  // OK, 6
    std::cout << sum(std::set<int>{4, 5, 6}) << std::endl;     // OK, 15
}

即使你试图滥用它：

sum(std::map<int, int>{})

错误信息并不可怕：

/usr/local/include/boost/range/detail/any_iterator_wrapper.hpp:40:60: error: invalid static_cast from type 'std::pair<const int, int>' to type 'int&'
             return static_cast<Reference>(const_cast<T&>(x));
                                                            ^

您可以为您的用例创建一个别名：

template <typename T>
using FwdImmutableRangeT = boost::any_range<T,
                               boost::forward_traversal_tag,
                               const T&, std::ptrdiff_t>;

然后返回那些：

class Interface {
public:
    virtual FwdImmutableRange<int> getArray() const = 0;
    virtual FwdImmutableRange<const int> getSet() const = 0;
    virtual FwdImmutableRange<std::pair<const int, int>> getMap() const = 0;
};

Answer 2

我不知道有一个，但是对于给定的一组接口的一般视图并不难写。您可以将类型擦除与手动 vtable 一起使用，以保持内容免于分配。

存储一个 pvoid 和一个指向函数表的指针。每个函数都会消除一个操作的类型依赖性。

如果操作有签名R(Args...)，那么表中的擦除函数指针有签名R(void*, Args...)。我使用无状态 lambda 将它们写入 vtable 工厂，该工厂构造静态本地 vtable 并返回指向 const vtable 的指针。

面向用户的类公开操作，将它们转发到 vtable。它有一个模板 ctor 将 pvoid 存储到传递的值，并从工厂获取特定类型的 vtable。

您必须小心处理视图类的复制/移动 ctor：模板 ctor 应 SFINAE 防止接受视图类实例。

烦人的部分是您要么必须为关联容器的工作方式定义新语义，要么还需要键入擦除它们的迭代器。在仅视图中，因为迭代器被假定为类似值的。这是vector的一大优势，因为可以用T*代替！

现在我想起来了，boost 有类型擦除迭代器，可能还有关联容器的视图。

如果我们只想要“是否存在”功能（以及地图的“它是什么”），而您不需要迭代，这很容易：

namespace details {
  template<class K>
  using exists = bool(*)(void*, K const&);
  template<class K, class V>
  using get = V(*)(void*, K const&);

  template<class T>
  struct setlike_vtable {
    exists<T> pexists = 0;
    template<class S>
    static void ctor( setlike_vtable* table ) {
      table->pexists = [](void* p, T const& k)->bool {
        S*ps = static_cast<S*>(p);
        return ps->find(k) != ps->end();
      };
    }
    template<class S>
    static setlike_vtable const* make() {
      static const setlike_vtable retval = []{
        setlike_vtable retval;
        ctor<S>(&retval);
        return retval;
      }();
      return &retval;
    }
  };
  template<class K, class V>
  struct maplike_vtable : setlike_vtable<K> {
    get<K,V> pget = 0;
    template<class S>
    static void ctor( maplike_vtable* table ) {
      setlike_vtable<K>::template ctor<S>(table);
      table->pget = [](void* p, K const& k)->V {
        S*ps = static_cast<S*>(p);
        return ps->find(k)->second;
      };
    }
    template<class S>
    static maplike_vtable const* make() {
      static const maplike_vtable retval = []{
        maplike_vtable retval;
        ctor<S>(&retval);
        return retval;
      }();
      return &retval;
    }
  };
}

template<class T>
struct set_view {
  details::setlike_vtable<T> const* vtable = 0;
  void* pvoid = 0;
  template<class U,
    std::enable_if_t<!std::is_same<std::decay_t<U>, set_view>{}, int> =0
  >
  set_view(U&& u):
    vtable( details::setlike_vtable<T>::template make<std::decay_t<U>>() ),
    pvoid( const_cast<void*>( static_cast<void const*>( std::addressof(u) ) ) )
  {}
  set_view(set_view const&)=default;
  set_view() = default;
  ~set_view() = default;
  set_view& operator=(set_view const&)=delete;
  explicit operator bool() const { return vtable; }

  bool exists( T const&t ) const {
    return vtable->pexists( pvoid, t );
  }
};
template<class K, class V>
struct map_view {
  details::maplike_vtable<K, V> const* vtable = 0;
  void* pvoid = 0;
  template<class U,
    std::enable_if_t<!std::is_same<std::decay_t<U>, map_view>{}, int> =0
  >
  map_view(U&& u):
    vtable( details::maplike_vtable<K,V>::template make<std::decay_t<U>>() ),
    pvoid( const_cast<void*>( static_cast<void const*>( std::addressof(u) ) ) )
  {}
  map_view(map_view const&)=default;
  map_view() = default;
  ~map_view() = default;
  map_view& operator=(map_view const&)=delete;
  explicit operator bool() const { return vtable; }

  bool exists( K const&k ) const {
    return vtable->pexists( pvoid, k );
  }
  V get( K const& k ) const {
    return vtable->pget( pvoid, k );
  }
};

请注意，如果您不希望 get 按值返回，则通常需要 map_view< Key, Value const& >。

live example.

通过访问进行迭代很容易，但需要将传入的访问者类型擦除（可以说是std::function）。通过迭代器进行迭代需要类型擦除迭代器，而类型擦除迭代器必须具有值语义。此时，您最好窃取boost 的实现。

现在提出的协程提供了另一种解决问题的方法；让类型擦除的视图使用协程来实现枚举而不是访问。

我敢打赌，上面的视图比boost::any_range 稍微快一点，因为由于设计原因，它要做的工作更少。您可以通过将 vtable 移动到视图主体中来加速它，从而消除缓存未命中；对于较大的类型擦除，这可能会导致运行时内存膨胀，但上述类型擦除视图在 vtable 中存储了 1-2 个指针。有一个指向 1-2 个指针的指针似乎很愚蠢。