面试题：C++中如何基于模板元编程实现复杂的设计模式

组合模式的模板元编程实现

定义基础结构
- 首先定义组件的抽象基类。在模板元编程中，这个基类主要作为接口约定，并且为编译期类型检查提供基础。

class Component {
public:
    virtual ~Component() = default;
    virtual void operation() const = 0;
};

这里Component类定义了operation纯虚函数，任何具体的组件（无论是叶节点还是组合节点）都必须实现这个函数。

定义叶节点 叶节点是组合模式中最底层的节点，没有子节点。通过模板元编程，我们可以在编译期确定叶节点的类型信息。

template<typename T>
class Leaf : public Component {
public:
    Leaf(const T& data) : data_(data) {}
    void operation() const override {
        // 实际操作叶节点的数据
        std::cout << "Leaf operation with data: " << data_ << std::endl;
    }
private:
    T data_;
};

模板参数T允许我们为叶节点存储不同类型的数据，并且由于模板元编程，不同类型的Leaf在编译期就会生成不同的代码，避免了运行时类型检查的开销。

定义组合节点 组合节点包含多个子节点，可以是叶节点或者其他组合节点。利用模板元编程，我们可以在编译期管理子节点的集合。

template<typename... Ts>
class Composite : public Component {
public:
    template<typename T>
    void add(const T& child) {
        add_impl(child, std::index_sequence_for<Ts...>{});
    }

    void operation() const override {
        operation_impl(std::index_sequence_for<Ts...>{});
    }

private:
    std::tuple<Ts...> children_;

    template<typename T, std::size_t... Is>
    void add_impl(const T& child, std::index_sequence<Is...>) {
        (void)std::initializer_list<int>{((std::get<Is>(children_) = child), 0)...};
    }

    template<std::size_t... Is>
    void operation_impl(std::index_sequence<Is...>) const {
        (std::get<Is>(children_).operation(), ...);
    }
};

模板参数包Ts...表示可以包含不同类型的子节点。add函数通过add_impl利用折叠表达式在编译期将子节点添加到tuple中。operation函数同样利用折叠表达式在编译期对所有子节点调用operation函数，提高了运行效率。

使用示例

int main() {
    Composite<Leaf<int>, Leaf<double>> composite;
    composite.add(Leaf<int>(10));
    composite.add(Leaf<double>(3.14));
    composite.operation();
    return 0;
}

在main函数中，我们创建了一个Composite对象，它可以包含Leaf<int>和Leaf<double>类型的子节点。通过add函数添加叶节点，并调用operation函数执行组合操作。

原理解释

编译期类型推导：模板元编程利用C++的模板机制，在编译期推导类型。例如Leaf和Composite模板类，编译器会根据传入的模板参数生成特定的代码，减少运行时的类型判断开销。
编译期计算：折叠表达式（如(std::get<Is>(children_).operation(), ...);）允许在编译期对参数包进行操作。这意味着在编译期就可以确定对所有子节点的操作，而不是在运行时通过循环等方式逐个处理，提高了效率。
类型安全：由于模板元编程在编译期确定类型，编译器可以在编译阶段就检测出类型不匹配等错误，增强了程序的健壮性和类型安全性。

通过以上实现，我们充分利用了模板元编程的编译期计算特性，实现了组合模式，提高了程序的效率和灵活性。

面试题：C++中如何基于模板元编程实现复杂的设计模式

知识考点

面试题答案

组合模式的模板元编程实现

原理解释