在运行时将属性与类实例关联

Question

是否有一种惯用的 C++ 方法将属性与一组固定的类实例动态关联？

假设我们有一个 Element 类。每个元素总是具有某些属性，这些属性包含在成员变量中。

struct Element {
    unsigned atomic_protons;
    float mass;
};

我们可能会将其他属性与每个 Element 相关联，但并非每个使用 Element 类的程序都会对相同的属性感兴趣。也许有时我们对味道感兴趣，有时我们对颜色感兴趣，代表这些属性的变量可能初始化起来很昂贵。也许直到运行时我们才知道我们需要什么属性。

我想到的解决方案是一组并行数组。一个数组包含实例本身，并且该数组的索引隐含地将每个实例与一系列“并行”数组中的项目相关联。

// fixed set of Element instances
std::vector<Element> elements;
// dynamic properties
std::vector<Flavor> element_flavors;
std::vector<Color> element_colors;

每个属性向量都是根据需要创建的。

这个解决方案没问题，但一点也不像惯用的 C++。除了美观之外，这种安排还使得从给定的 Element 实例中查找属性变得很尴尬。我们需要在每个 Element 实例中插入一个数组索引。另外，每个向量中的大小信息都是多余的。

如果我们对给定属性的所有值感兴趣，那么它的优点是数据会被适当地排列。但是，通常我们想朝相反的方向前进。

以某种方式修改 Element 类的解决方案很好，只要每次添加新属性时都不需要修改该类。还假设存在所有程序共享的用于处理 Element 类的方法，我们不希望这些方法中断。

Answer 1

我认为 PiotrNycz 建议的 std::unordered_map<Element*, Flavor> 解决方案是一种将 Flavor 与特定 Element 相关联的完美“惯用”方式，但我想提出一个替代方案。

如果你想在Element上执行的操作是固定的，你可以提取一个接口：

class IElement {
 public:
  virtual ~IElement() {}
  virtual void someOperation() = 0;
};

然后您可以轻松存储IElement 指针（最好是智能指针）的集合，然后根据需要进行专门化。不同的专业具有不同的行为并包含不同的属性。你可以有一个工厂来决定在运行时创建哪个专业化：

std::unique_ptr<IElement>
elementFactory(unsigned protons, float mass, std::string flavor) {

  if (!flavor.isEmpty())  // Create specialized Flavored Element
    return std::make_unique<FlavoredElement>(protons, mass, std::move(flavor));

  // Create other specializations...

  return std::make_unique<Element>(protons, mass);  // Create normal element
}

在您的情况下，问题是您很容易获得专业化的爆炸式增长：Element、FlavoredElement、ColoredElement、FlavoredColoredElement、TexturedFlavoredElement 等...

在这种情况下适用的一种模式是Decorator pattern。你让FlavoredElement 成为一个装饰器，它包装了IElement，但也实现了IElement 接口。然后您可以选择在运行时为元素添加风味：

class Element : public IElement {
private:
  unsigned atomic_protons_;
  float    mass_;
public:
  Element(unsigned protons, float mass) : atomic_protons_(protons), mass_(mass) {}
  void someOperation() override { /* do normal thing Elements do... */ }
};

class FlavoredElement : public IElement {
private:
  std::unique_ptr<IElement> element_;
  std::string flavor_;
public:
  FlavoredElement(std::unique_ptr<IElement> &&element, std::string flavor) :
    element_(std::move(element)), flavor_(std::move(flavor)) {}
  void someOperation() override {
    // do special thing Flavored Elements do...
    element_->someOperation();
  }
};

class ColoredElement : public IElement {
private:
  std::unique_ptr<IElement> element_;
  std::string color_;
public:
  ColoredElement(std::unique_ptr<IElement> &&element, std::string color) :
    element_(std::move(element)), color_(std::move(color)) {}
  void someOperation() override {
    // do special thing Colored Elements do...
    element_->someOperation();
  }
};

int main() {
  auto carbon = std::make_unique<Element>(6u, 12.0f);
  auto polonium = std::make_unique<Element>(84u, 209.0f);
  auto strawberry_polonium = std::make_unique<FlavoredElement>(std::move(polonium), "strawberry");
  auto pink_strawberry_polonium = std::make_unique<ColoredElement>(std::move(strawberry_polonium), "pink");

  std::vector<std::unique_ptr<IElement>> elements;
  elements.push_back(std::move(carbon));
  elements.push_back(std::move(pink_strawberry_polonium));

  for (auto& element : elements)
    element->someOperation();
}

Answer 2

所以，有两种情况。

您可以以静态方式将属性附加到程序。但是在编译之前必须知道这个属性。是的，有一种惯用的方法。它被称为特化、派生或继承：

struct ProgramASpecificElement : Element 
{
   int someNewProperty;
};

第二种情况更有趣。当您想在运行时添加属性时。然后你可以使用地图，像这样：

std::unordered_map<Element*, int> elementNewProperties;

Element a;
elementNewProperties[&a] = 7;
cout << "New property of a is: " << elementNewProperties[&a];

如果您不想为在地图中的搜索付出性能损失，那么您可以在元素中预测它可能具有新属性：

struct Property { 
   virtual ~Property() {}
};
template <typename T>
struct SimpleProperty : Property {
     T value;
};

struct Elememt {
  // fixed properties, i.e. member variables
  // ,,,
  std::unordered_map<std::string, Property*> runtimeProperties;
};

 Element a;
 a.runtimeProperties["age"] = new SimpleProperty<int>{ 7 };
 cout << "Age: " << *dynamic_cast<SimpleProperty<int>*>(a.runtimeProperties["age"]);

当然，上面的代码没有任何必要的验证和封装——只是几个例子。