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《C++ Software Design》第八章 The Type Erasure Design Pattern
在现代 C++ 的设计实践中，我们面临一个关键选择：是使用继承实现多态，还是通过更灵活、更抽象的方式？
随着泛型编程的普及，Type Erasure（类型擦除） 成为构建零侵入、接口透明、可组合性强系统的关键机制。
Guideline 32：用 Type Erasure 替代继承层次结构
Type Erasure 的由来
类型擦除是 C++ 为了解决 运行时类型抽象 与 模板泛型编程 之间冲突而诞生的技术。
在早期的 C++ 中，运行时多态主要通过 继承+虚函数 实现。但继承体系有很多缺陷：
- 接口侵入（必须修改类定义）
- 类型层级复杂，难以组合
- 运行时效率依赖虚表查找
为解决这些问题，现代 C++ 设计中引入了“类型擦除”概念，用以 在不暴露原始类型的前提下，支持运行时多态行为。
Type Erasure 模式解释：抽象不暴露类型的接口
核心机制由三层构成：
template <typename T>
struct Model {T data;void operator()() const { data(); }
};struct Concept {virtual void operator()() const = 0;virtual std::unique_ptr<Concept> clone() const = 0;virtual ~Concept() = default;
};class FunctionWrapper {std::unique_ptr<Concept> self;
public:template <typename F>FunctionWrapper(F f): self(std::make_unique<Model<F>>(std::move(f))) {}void operator()() const { (*self)(); }
};
这个结构完全模拟了 std::function<void()> 的行为。
拥有式类型擦除（Owning Type Erasure）
std::function 是拥有式类型擦除的典型案例：
std::function<void()> task = [] { std::cout << "Hello\n"; };
task(); // 调用时不依赖原始类型
- 内部持有 lambda 或函数对象
- 构造时完成类型擦除
- 所有权由封装器掌控，安全封装生命周期
类型擦除的缺点
- 实现复杂（涉及 clone、虚表、模板封装）
- 性能可能低于静态派发（例如 CRTP、Concepts）
- 在高频路径中不易调优
不同类型擦除封装器的比较
| 封装器 | 类型擦除方式 | 拥有权 | 支持拷贝 | 使用场景 |
|---|---|---|---|---|
| std::function | 模板 + 虚函数 | 是 | 是 | 函数对象封装 |
| std::any | 原始内存块 + RTTI | 是 | 是 | 类型无关的值封装 |
| 自定义 wrapper | 模板 + clone | 是/否 | 可控 | 自定义接口的泛型封装 |
接口分离（Interface Segregation）
你可以通过 拆分 Concept 接口 来支持多个接口共存的 Type Erasure。
struct Drawable {virtual void draw() const = 0;
};
struct Moveable {virtual void move(int dx, int dy) = 0;
};
这类似于将类型擦除与面向接口设计结合，形成“组合接口型多态”，可以在不同语义层进行解耦。
性能基准测试（书中总结）
- Type Erasure 的调用性能略低于虚函数（1.1~1.3x）
- 但在缓存友好、编译期复杂度更低的上下文中可能胜出
- 若启用 Small Buffer Optimization，性能可大幅提升
Guideline 33：类型擦除的优化潜力
小缓冲优化（Small Buffer Optimization, SBO）
避免动态分配内存是提升类型擦除封装器性能的关键策略。
constexpr size_t SBO_SIZE = 64;class SmallFunction {alignas(alignof(std::max_align_t)) char buffer[SBO_SIZE];Concept* conceptPtr = nullptr;// 若对象小于 64 字节，则构造在 buffer 中
};
- 对小对象使用栈内分配
- 减少 heap allocation 次数
- 显著提高吞吐量和缓存命中率
现代 std::function 实现中基本都启用了 SBO 技术。
手动函数分发优化
若你控制封装器结构，可使用函数指针数组（dispatch table）替代虚函数调用：
struct Dispatcher {void (*invoke)(void*) = nullptr;void* obj = nullptr;
};template <typename T>
Dispatcher make_dispatcher(T* t) {return { [](void* p) { (*static_cast<T*>(p))(); }, t };
}
手动分发表可用于构建高性能、零继承的运行时接口系统。
Guideline 34：拥有式与非拥有式类型擦除的权衡
拥有式封装的成本
以 std::function 为例，其代价包括：
- 类型包装开销（对象 -> Model）
- 动态内存分配（若未启用 SBO）
- 虚函数跳转或函数分发成本
- 拷贝和移动需构造/销毁内部状态
这在高频构造-销毁路径中容易造成严重性能瓶颈。
非拥有式类型擦除：轻量封装方案
template <typename T>
class NonOwningFunction {T* obj;void (*call)(T*);
public:NonOwningFunction(T& o, void(*c)(T*)) : obj(&o), call(c) {}void operator()() { call(obj); }
};
- 不持有对象，仅封装调用接口
- 零拷贝、零分配
- 可适用于性能关键代码路径
更强大的非拥有封装器
可以扩展成支持多操作：
template <typename T>
struct FunctionRef {T* object;void (*invoke)(T*);void (*destroy)(T*) = nullptr;
};
类似 std::function_view（C++23） 的思路，适合低延迟应用（音频处理、游戏逻辑等）。
总结对比
| 特性 | 拥有式类型擦除 | 非拥有式类型擦除 |
|---|---|---|
| 所有权 | 封装器持有对象 | 外部持有 |
| 生命周期管理 | 自动析构 | 需外部管理 |
| 分配成本 | 有（除非 SBO） | 零分配 |
| 性能 | 略逊色（取决实现） | 高性能，接近裸函数调用 |
| 使用难度 | 容易（如 std::function） | 中等，需要手动维护调用接口 |
结语
C++ 中最强大也是最复杂的运行时抽象手段之一：类型擦除设计模式
- 替代传统继承结构实现多态
- 赋予泛型编程以运行时能力
- 实现可组合、非侵入、类型透明的组件设计
在现代库设计中，从 std::function 到 std::any，再到如 std::span, function_ref, type_safe::variant 等库，类型擦除都是构建强大抽象能力的核心机制。