编译期多态

运行时多态存在的问题

运行时多态存在一些问题, 如下:

1. 性能问题： 运行时多态通过虚函数实现，在运行时选择正确的实现，会带来一些性能问题，尤其是在继承体系比较复杂时。（基于 std::variant 的实现也存在类似问题，只是不再是虚表了）

2. 类型安全问题： 在运行时多态中，编译器不能检查参数类型，因此会出现类型安全问题，例如传入错误的参数类型等。

3. 难以调试： 运行时多态的代码难以调试，因为它在运行时才确定调用的函数。

4. 复杂性增加： 运行时多态的代码会使程序的复杂性增加，因为需要在运行时处理多种不同类型的对象。

5. 维护问题： 运行时多态的代码难以维护，因为需要在运行时处理多种不同类型的对象。

什么是编译时多态

编译时多态，也称为静态多态或类型安全多态，是指在编译时就能确定函数调用的实际类型的多态。编译时多态可以使用函数重载和模板函数实现。

函数重载是指在同一作用域内，函数名称相同，但参数列表不同的函数。编译器可以在编译时根据调用函数时传入的参数类型确定调用哪个函数。

模板函数是指在编译时将类型参数替换为实际类型的函数。编译器可以根据模板参数类型生成不同的函数版本。

编译时多态的优势：

1. 类型安全： 编译时多态可以在编译时发现类型错误，提高程序的类型安全性。

2. 性能优异： 编译时多态函数调用不需要运行时类型检查，因此性能更优。

3. 易于调试： 编译时多态可以在编译时确定函数调用，使调试更加方便。

4. 易于维护： 编译时多态的代码更加简洁，更容易维护。

编译时多态的类型

编译时多态主要分为两大类：函数重载与函数模板。

函数重载

函数重载是指在同一作用域中，具有相同函数名但是参数类型或个数不同的函数。在调用函数时，编译器会根据传入的参数自动选择匹配的函数进行调用。这种机制可以使代码简洁易读，并且可以减少重复代码的编写。

例如,我们有两个重载函数:

void print(int i){    cout<<i<<endl;}void print(string s){    cout<<s<<endl;}

如果调用 print(5)就会调用第一个 print，如果调用 print("hello world")就会调用第二个 print。

另外，运算符重载是一种特殊的重载形式。

函数模板

函数模板是 C++ 中的一种特殊的函数，它可以接受一个或多个模板参数作为函数的参数。函数模板的定义方式和普通函数类似，只需在函数名前面加上 template<typename/class T>。

函数模板的优点是能够处理多种不同的类型，在编译时自动生成函数版本,从而可以避免重复编写代码。

例如:

template <typename T>T max(T a, T b) {    return (a > b) ? a : b;}

上面这个函数可以接受任意类型作为参数，并且在编译时会根据不同的参数类型生成不同的函数版本。

在调用 max 函数的时候，编译器会根据传入的参数的类型自动生成对应的函数版本。

int x = max(3,4);double y = max(3.14,2.71);

这样我们就可以通过一个函数模板来满足多种类型的需求，而不需要为每种类型都写一个函数。

从类别上主要分为上面两大类，但是从实现方式上看，有很多种不同的实现方式。

函数重载的多态实现比较简单，上面的例子就是。这里主要讨论一下利用模板函数实现的编译时多态。

SFINAE

SFINAE 是 "Substitution Failure Is Not An Error" 的缩写，意思是在模板元编程中，当编译器在类型替换过程中遇到类型替换失败时，会忽略这个错误而不是终止编译。

SFINAE 的主要用途是在类型检测和条件编译中。例如，在检测一个类型是否有特定成员函数时，可以使用 SFINAE 来检测该类型是否有对应的成员函数，而不会导致编译错误。

SFINAE 的实现方式有很多，最常用的是使用 std::enable_if 或 std::is_same 在模板函数或类型中进行类型检测。

例如:

template<typename T>typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, bool>::typeis_even(T x) {    return x % 2 == 0;}

上面的代码中 std::enable_if<std::is_integral<T>::value, bool>::type 是一个类型，如果 T 是整数类型（满足 std::is_integral<T>::value 为 true），则返回 bool 类型，否则返回无效类型。在这种情况下，编译器会忽略这个错误而不是终止编译，这就是 SFINAE。

在 C++ 中，可以使用 SFINAE 来实现编译时多态。

主要思路是在编译时检测模板参数的特定类型特征，并在满足特定条件时选择执行不同的函数或类型。

具体实现可以使用 std::enable_if 或 std::is_same 等模板元函数来实现类型检测和条件编译。

例如，下面是一个简单的编译时多态例子，实现了对整型和浮点型参数的不同处理：

template<typename T>typename std::enable_if<std::is_integral<T>::value, void>::typeprocess(T x) {    std::cout << "Processing integer: " << x << std::endl;}
template<typename T>typename std::enable_if<std::is_floating_point<T>::value, void>::typeprocess(T x) {    std::cout << "Processing floating-point: " << x << std::endl;}

这里我们使用 std::enable_if 来检查传入的参数是否是整型或浮点型，如果是整型就调用第一个 process，如果是浮点型就调用第二个 process。

如果参数类型不是整型或浮点型，编译器会忽略这个错误而不是终止编译，这就是 SFINAE 的工作原理。

此外，C++14 中引入了 std::enable_if_t 简化了 std::enable_if 的使用，可以使用更简洁的方式。

标签分发

C++标签分发是一种编译时多态技术，用于在编译时选择所需的函数重载或模板特化。它使用一种称为标签的数据类型来标识不同的类型或类型组合，并使用这些标签来选择最合适的函数或模板特化。

标签分发可以通过使用不同的模板参数来实现，这些模板参数可以是类型、值或类型组合。例如，以下代码定义了一个接受标签参数的函数模板：

template <typename Tag>
void foo(int x, Tag t) {  // 根据标签t的值，选择不同的函数重载或模板特化}

标签分发可以使用编译器内置的类型萃取（type traits）功能来实现，也可以使用自定义的类型萃取。

标签分发常用于更高效的类型检查和函数重载，并且可以在某些情况下替代使用 SFINAE。

constexpr if

if constexpr是 C++17 新增的一个语法特性，用于在编译期执行条件语句。它可以用于实现编译时多态，因为它可以根据编译期的条件来选择所需的代码段。

使用if constexpr实现编译时多态的基本方法是：

1. 定义一个函数模板，它接受一个或多个模板参数。

2. 在函数内部使用if constexpr语句来检查模板参数的值或类型。

3. 根据检查结果，选择所需的代码段。

例如，以下代码定义了一个编译时多态函数模板，它接受两个模板参数，并在编译期根据这两个参数的值来选择所需的代码段。

template <typename T, bool IsPointer>void foo(T x) {    if constexpr (IsPointer) {        // 如果T是一个指针类型，则执行此代码段    } else {        // 如果T是一个非指针类型，则执行此代码段    }}

另外，C++17 还引入了一个新的语法特性 consteval ，它可以在编译期进行常量计算，与 if constexpr 配合使用可以实现更加灵活的编译时多态。

concepts

C++20 引入了概念（concepts），它是一种编译时多态的实现方式。概念是一组类型要求，它们定义了一个类型应该具有的特定属性和行为。可以使用概念来限制函数模板或类模板的类型参数。

使用概念实现编译期多态，需要定义一个概念，并使用 requires 关键字在函数模板或类模板中引用它。当编译器检查类型是否符合概念要求时，如果类型符合概念要求，则选择执行相应的代码块，否则选择其他代码块。这样可以在编译时就确定所需的代码路径，并在编译时删除不需要的代码，从而减少运行时的开销。

举个例子：

template<typename T>concept Addable = requires(T a, T b) {  { a + b } -> T;};
template<Addable T>T add(T a, T b) {  return a + b;}

上面这个例子中，我们定义了一个概念 Addable，要求 T 类型支持"+"运算，然后我们在函数模板 add 中使用了这个概念，这样只有满足 Addable 的类型才能使用 add 函数。

void_t

void_t 是 C++11 中引入的一个元函数，它的作用是用于 SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error） 中的类型转换。通过使用 void_t 可以在编译期判断某个类型是否具有特定的成员函数或成员变量。

它的实现非常简单，可以通过如下代码实现：

template <typename T, typename = void>struct has_member {    static constexpr bool value = false;};
template <typename T>struct has_member<T, std::void_t<decltype(T::member)>> {    static constexpr bool value = true;};

在上面的代码中，has_member 是一个模板结构体，它提供了一个 value 成员变量，表示 T 类型是否具有 member 成员变量。在第二个模板参数为 void 的情况下，value 默认为 false，表示 T 类型不具有 member 成员变量。在第二个模板参数为 std::void_t<decltype(T::member)> 的情况下，value 默认为 true，表示 T 类型具有 member 成员变量。

通过这种方式，我们可以在编译期判断某个类型是否具有特定的成员函数或成员变量。进而实现编译期多态。

奇异递归模板

奇异递归模板是一种使用模板递归实现编译期多态的方法。它的基本思想是通过不断递归模板来检测某种类型的特征，从而实现编译期的类型判断和调用。

具体实现方法是：

1. 定义一个递归模板，并在模板参数中增加一个特殊的标识符。

2. 在递归模板中，检测该特殊标识符，如果存在，则表示类型满足特征，进行相应的处理。

3. 如果不存在，则继续递归调用，直到检测到特征或者达到递归的极限。

这种方法可以用来实现类型判断、类型转换、类型特化等功能。

缺点是实现复杂，因为需要设计一个递归模板来实现编译时类型检测，并且需要考虑好边界条件避免无限递归。

一种简单的奇异递归模板实现编译期多态的例子是使用类型萃取。下面是一个简单的例子：

template <typename T>struct base {    void foo() { /* 一些默认实现 */ }};template <typename T>struct derived : base<T> {    void foo() { /* 一些特殊实现 */ }};template <typename T>void bar(T& t) {    t.foo();}
int main() {    base<int> b;    derived<int> d;    bar(b); // 调用base<int>::foo()    bar(d); // 调用derived<int>::foo()    return 0;}

在这个例子中，bar 函数接受一个 T 类型的引用参数，并调用其 foo 函数。由于 T 是一个模板参数，因此在编译时就能确定 T 的类型了。如果 T 是 base<int>，则调用 base<int>::foo()；如果 T 是 derived<int>，则调用 derived<int>::foo()。因此，这种方式实现的是编译期多态。

这种模板的递归实现叫做奇异递归模板，因为它是在类型级别上递归，而不是在值级别上递归。

总结

本文的内容比较杂，想到哪写哪，总之，现代的新特性使得编译期多态的实现越来越简单高效。