将参数传递给“类数组”容器构造函数

Question

背景

我正在使用具有以下限制的嵌入式平台：

• 没有堆
• 没有 Boost 库
• C++11被支持

我过去处理过几次以下问题：

创建一个类类型为 T 的数组，其中 T 没有默认构造函数

该项目最近才添加了对 C++11 的支持，直到现在我每次不得不处理这个问题时都在使用临时解决方案。既然 C++11 可用，我想我会尝试做一个更通用的解决方案。

解决方案尝试

我复制了an example of std::aligned_storage 来为我的数组类型提供框架。结果如下所示：

#include <type_traits>

template<class T, size_t N>
class Array {
  // Provide aligned storage for N objects of type T
  typename std::aligned_storage<sizeof(T), alignof(T)>::type data[N];

public:
  // Build N objects of type T in the aligned storage using default CTORs
  Array()
  {
    for(auto index = 0; index < N; ++index)
      new(data + index) T();
  }

  const T& operator[](size_t pos) const
  {
    return *reinterpret_cast<const T*>(data + pos);
  }

  // Other methods consistent with std::array API go here
};

这是一个基本类型 - Array<T,N> 仅在 T 是默认可构造的情况下编译。我对模板参数打包不是很熟悉，但是看了一些例子让我想到了以下几点：

template<typename ...Args>
Array(Args&&... args) 
{
  for(auto index = 0; index < N; ++index)
    new(data + index) T(args...);
}

这绝对是朝着正确方向迈出的一步。如果传递的参数与T 的构造函数匹配，则Array<T,N> 现在编译。

我剩下的唯一问题是构造一个Array<T,N>，其中数组中的不同元素具有不同的构造函数参数。我想我可以把它分成两种情况：

1 - 用户指定参数

这是我对 CTOR 的抨击：

template<typename U>
Array(std::initializer_list<U> initializers)
{
  // Need to handle mismatch in size between arg and array
  size_t index = 0;
  for(auto arg : initializers) {
    new(data + index) T(arg);
    index++;
  }
}

这似乎工作正常，除了需要处理数组和初始化列表之间的维度不匹配之外，但有许多方法可以处理这些并不重要的问题。这是一个例子：

struct Foo {
  explicit Foo(int i) {}
};

void bar() {
  // foos[0] == Foo(0)
  // foos[1] == Foo(1)
  // ..etc
  Array<Foo,10> foos {0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9};
}

2 - 参数遵循模式

在我之前的示例中，foos 使用递增列表进行初始化，类似于std::iota。理想情况下，我想支持类似下面的东西，其中range(int) 返回可以初始化数组的东西。

// One of these should initialize foos with parameters returned by range(10)
Array<Foo,10> foosA = range(10);
Array<Foo,10> foosB {range(10)};
Array<Foo,10> foosC = {range(10)};
Array<Foo,10> foosD(range(10));

谷歌搜索告诉我std::initializer_list 不是一个“普通”容器，所以我认为没有任何方法可以让range(int) 根据函数参数返回std::initializer_list。

同样，这里有几个选项：

• 在运行时指定的参数（函数返回？）
• 编译时指定的参数（constexpr 函数返回？模板？）

问题

1. 到目前为止，此解决方案是否存在任何问题？
2. 有没有人建议生成构造函数参数？除了硬编码std::initializer_list，我想不出运行时或编译时的解决方案，所以欢迎提出任何想法。

Answer 1

如果我正确理解您的问题，我还偶然发现 std::array 在元素构造方面完全不灵活，有利于聚合初始化（以及缺少具有灵活元素构造选项的静态分配容器）。我想出的最佳方法是创建一个自定义的类数组容器，该容器接受 一个迭代器 来构造它的元素。 这是完全灵活的解决方案：

• 适用于固定大小和动态大小的容器
• 可以将不同或相同的参数传递给元素构造函数
• 可以使用一个或多个（元组分段构造）参数调用构造函数，甚至可以为不同元素调用不同的构造函数（控制反转）

对于你的例子，它会是这样的：

const size_t SIZE = 10;

std::array<int, SIZE> params;
for (size_t c = 0; c < SIZE; c++) {
    params[c] = c;
}

Array<Foo, SIZE> foos(iterator_construct, &params[0]); //iterator_construct is a special tag to call specific constructor
// also, we are able to pass a pointer as iterator, since it has both increment and dereference operators

注意：您可以使用自定义迭代器类在此处完全跳过参数数组分配，该迭代器类会根据其即时位置计算其值。

对于多参数构造函数：

const size_t SIZE = 10;

std::array<std::tuple<int, float>, SIZE> params; // will call Foo(int, float)
for (size_t c = 0; c < SIZE; c++) {
    params[c] = std::make_tuple(c, 1.0f);
}

Array<Foo, SIZE> foos(iterator_construct, piecewise_construct, &params[0]);

具体的实现示例有点大的代码，所以如果您想了解除一般概念之外的更多实现细节，请告诉我 - 我会更新我的答案。

Answer 2

我会使用工厂 lambda。

lambda 接受一个指向构造位置的指针和一个索引，并负责构造。

这使得复制/移动也很容易编写，这是一个好兆头。

template<class T, std::size_t N>
struct my_array {
  T* data() { return (T*)&buffer; }
  T const* data() const { return (T const*)&buffer; }

  // basic random-access container operations:
  T* begin() { return data(); }
  T const* begin() const { return data(); }
  T* end() { return data()+N; }
  T const* end() const { return data()+N; }
  T& operator[](std::size_t i){ return *(begin()+i); }
  T const& operator[](std::size_t i)const{ return *(begin()+i); }

  // useful utility:
  bool empty() const { return N!=0; }
  T& front() { return *begin(); }
  T const& front() const { return *begin(); }
  T& back() { return *(end()-1); }
  T const& back() const { return *(end()-1); }
  std::size_t size() const { return N; }

  // construct from function object:
  template<class Factory,
    typename std::enable_if<!std::is_same<std::decay_t<Factory>, my_array>::value, int> =0
  >
  my_array( Factory&& factory ) {
    std::size_t i = 0;
    try {
      for(; i < N; ++i) {
        factory( (void*)(data()+i), i );
      }
    } catch(...) {
      // throw during construction.  Unroll creation, and rethrow:
      for(std::size_t j = 0; j < i; ++j) {
        (data()+i-j-1)->~T();
      }
      throw;
    }
  }
  // other constructors, in terms of above naturally:
  my_array():
    my_array( [](void* ptr, std::size_t) {
      new(ptr) T();
    } )
  {}
  my_array(my_array&& o):
    my_array( [&](void* ptr, std::size_t i) {
      new(ptr) T( std::move(o[i]) );
    } )
  {}
  my_array(my_array const& o):
    my_array( [&](void* ptr, std::size_t i) {
      new(ptr) T( o[i] );
    } )
  {}
  my_array& operator=(my_array&& o) {
    for (std::size_t i = 0; i < N; ++i)
      (*this)[i] = std::move(o[i]);
    return *this;
  }
  my_array& operator=(my_array const& o) {
    for (std::size_t i = 0; i < N; ++i)
      (*this)[i] = o[i];
    return *this;
  }
private:
  using storage = typename std::aligned_storage< sizeof(T)*N, alignof(T) >::type;
  storage buffer;
};

它定义了my_array()，但只有当你尝试编译它时才会编译它。

支持初始化列表相对容易。当 il 不够长或太长时，很难决定要做什么。我想你可能想要：

template<class Fail>
my_array( std::initializer_list<T> il, Fail&& fail ):
  my_array( [&](void* ptr, std::size_t i) {
    if (i < il.size()) new(ptr) T(il[i]);
    else fail(ptr, i);
  } )
{}

这需要你传入“失败时该怎么做”。我们可以默认通过添加：

template<class WhatToThrow>
struct throw_when_called {
  template<class...Args>
  void operator()(Args&&...)const {
    throw WhatToThrow{"when called"};
  }
};

struct list_too_short:std::length_error {
  list_too_short():std::length_error("list too short") {}
};
template<class Fail=ThrowWhenCalled<list_too_short>>
my_array( std::initializer_list<T> il, Fail&& fail={} ):
  my_array( [&](void* ptr, std::size_t i) {
    if (i < il.size()) new(ptr) T(il[i]);
    else fail(ptr, i);
  } )
{}

如果我写对了，那么太短的初始值设定项列表会导致有意义的抛出消息。在您的平台上，如果没有例外，您可以只 exit(-1)。