在 C++ 編程中，我們經常會遇到需要編寫獨立于其操作類型（包括不同函數類型和變量類型）的情況（類似于C語言中的回調函數，但是能適配任意類型）。這時，類型擦除 (Type Erasure) 就派上用場了，它讓我們能夠以統(tǒng)一的方式處理各種類型。本文將探討類型擦除的定義、工作原理，并提供實現 std::function 和 std::any 的示例。

什么是類型擦除

類型擦除是一種無需繼承或模板即可實現多態(tài)性的語言規(guī)范。它隱藏了對象的具體類型，只暴露一個統(tǒng)一的接口。這使我們能夠通過一個通用接口存儲、傳遞和操作不同類型的對象，而無需在編譯時知道具體類型。

為什么使用類型擦除

類型擦除有幾個主要優(yōu)點：

靈活性：你可以通過一個接口處理不同類型的對象。

解耦：使用類型擦除對象的代碼在編譯時無需知道具體類型。

多態(tài)性：無需繼承即可實現運行時的多態(tài)性，從而更容易地處理不共享公共基類的現有類型。

實現類型擦除：std::function 和 std::any

C++ 標準庫提供了 std::function 和 std::any，它們是類型擦除的示例。一起看看它們的工作原理。

簡化的 std::function

std::function 是一個多功能的可調用對象包裝器。它可以存儲函數、lambda 表達式或定義了()運算操作符的對象。std::function 的關鍵特性在于它隱藏了可調用對象的類型，從而統(tǒng)一了調用接口。

示例：

#include <iostream>#include <memory>#include <utility>class CallableBase { //沒有類型的接口類public:    virtual ~CallableBase() = default;    virtual void call() const = 0; //純虛函數};template <typename T>  //用這個子類對接口類重載，賦值具體類型的函數class CallableWrapper : public CallableBase{public:
    CallableWrapper(T callable) :callable_(std::move(callable)) {}    void call() const override {
        callable_();
}private:
    T callable_;
};class SimpleFunction{public:template <typename T> 
SimpleFunction(T callable): //創(chuàng)建時賦值初始化
		callableImpl_(std::make_shared<CallableWrapper<T>>(std::move(callable))) {}void operand() const {//（）操作符
    if(callableImpl_)
    		callableImpl_->call();
}private:    std::shared_ptr<CallableBase> callableImpl_; //無類型的接口變量};void helloFunction(){    std::cout <<"Hello, function !!! n";
}int main(){
    SimpleFunction f1 = helloFunction;
    SimpleFunction f2 = [](){std::cout << "Hello, Lambda !!!n";};
    f1(); //輸出：Hello, Function !!!
    f2(); //輸出：Hello, Lambda !!!
    return 0;
}

在此例中，SimpleFunction 用于存儲常規(guī)函數和lambda 表達式。被調用函數的實際類型被擦除了，并且 SimpleFunction 提供了一種統(tǒng)一的方法來調用存儲的函數。

簡化的 std::any

std::any 是一個類型安全的容器，可容納任何類型的單個值。它可以存儲任何類型的對象，并且可以使用類型安全的強制類型轉換來檢索存儲的值。

#include <iostream>
#include <memory>
#include <utility>
#include <typeinfo>
#include <typeindex>class AnyBase{public:
    virtual ~AnyBase() = default;
    virtual std::type_index type() const = 0;
    virtual std::unique_ptr<AnyBase> clone() = 0;
};

template <typename T>class AnyWrapper : public AnyBase{public:
    explicit AnyWrapper(T value) : value_(std::move(value)){}
    std::type_index type() const override { //存儲了類型信息，類型轉換時用
        return typeid(T);
    }

    std::unique_ptr<AnyBase> clone() override{        return std::make_unique<AnyWrapper<T>>(value_);
    }
    T& get(){        return value_;
    } 

private:
    T value_;
};class SimpleAny{public:
    SimpleAny() = default;

    template <typename T>
    SimpleAny(T value)
        : value_(std::make_unique<AnyWrapper<T>>(std::move(value))){}

    SimpleAny(const SimpleAny& other)
        : value_(other.value_ ? other.value_->clone() : nullptr){}
    
    SimpleAny& operator=(const SimpleAny& other) {        if (this != &other) {
            value_ = other.value_ ? other.value_->clone() : nullptr;
        }        return *this;
    }

    std::type_index type() const{        return value_ ? value_->type() : typeid(void);
    }

    template <typename T>
    T& get(){        if (type() != typeid(T)) { //類型轉換時判斷是否類型匹配
            throw std::bad_cast();
        }        return static_cast<AnyWrapper<T>*>(value_.get())->get();
    }private:
    std::unique_ptr<AnyBase> value_;
};

int main(){
    SimpleAny a(10);
    std::cout << "Stored int: " << a.get<int>() << "n";

    a = std::string("Hello, Any!");
    std::cout << "Stored string: " << a.get<std::string>() << "n";    return 0;
}

本例中，“SimpleAny”用于存儲一個 int 類型，然后存儲一個 std::string 類型。