面试题：C++中结合元编程优化流运算符重载替代方案

实现原理

编译期多态：利用C++模板元编程的编译期计算特性，通过模板特化和模板参数推导，在编译期确定不同类型的最佳输出策略。这样避免了运行时的虚函数调用开销，提高性能。
类型萃取：使用类型萃取技术，从类型中提取相关信息，比如是否为基础类型、是否有特定接口等，以此来决定如何进行输出操作。这有助于提高代码的通用性，能够适配不同类型。
SFINAE（Substitution Failure Is Not An Error）：利用SFINAE原则，通过模板参数替换失败来排除不适用的模板重载，从而在编译期选择最合适的输出策略。

代码示例

假设我们有一个复杂的自定义类层次结构，包含三个类：Base、Derived1 继承自 Base、Derived2 继承自 Derived1。

#include <iostream>
#include <type_traits>

// 基类
class Base {
public:
    virtual void print() const {
        std::cout << "Base class" << std::endl;
    }
};

// 派生类1
class Derived1 : public Base {
public:
    void print() const override {
        std::cout << "Derived1 class" << std::endl;
    }
};

// 派生类2
class Derived2 : public Derived1 {
public:
    void print() const override {
        std::cout << "Derived2 class" << std::endl;
    }
};

// 模板元编程辅助函数，用于判断类型是否有print成员函数
template<typename T, typename = void>
struct has_print : std::false_type {};

template<typename T>
struct has_print<T, std::void_t<decltype(std::declval<const T>().print())>> : std::true_type {};

// 通用的输出模板
template<typename T, typename = std::enable_if_t<!has_print<T>::value>>
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const T& obj) {
    os << "Unsupported type";
    return os;
}

// 针对有print成员函数的类型的输出模板
template<typename T, typename = std::enable_if_t<has_print<T>::value>>
std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const T& obj) {
    obj.print();
    return os;
}

使用示例

int main() {
    Base b;
    Derived1 d1;
    Derived2 d2;

    std::cout << b << std::endl;
    std::cout << d1 << std::endl;
    std::cout << d2 << std::endl;

    int num = 10;
    std::cout << num << std::endl; // 处理基础类型

    return 0;
}

编译期确定最佳输出策略说明

类型萃取：has_print 模板类利用 std::void_t 和 decltype 来判断类型 T 是否有 print 成员函数。这是编译期的类型信息提取。
SFINAE：std::enable_if_t 结合 has_print 的结果，通过SFINAE原则在编译期选择最合适的 operator<< 重载。如果类型有 print 成员函数，选择调用 print 函数的重载；否则，选择输出 “Unsupported type” 的通用重载。这样就实现了在编译期根据类型特性确定最佳的输出策略，既提高了性能（避免运行时虚函数开销）又保证了通用性（能够处理多种类型）。

面试题：C++中结合元编程优化流运算符重载替代方案

知识考点

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编译期确定最佳输出策略说明