面试题：C++函数重载、虚函数与模板元编程结合的深度剖析

Question

假设你正在进行一个大型C++项目开发，需要在泛型编程中结合函数重载、虚函数以及模板元编程来实现高度灵活和高效的代码。请详细描述如何将这三者有机结合，以解决复杂的类型相关和多态需求。举例说明在实现一个通用的图形绘制框架中，如何利用函数重载、虚函数与模板元编程，实现不同类型图形（如圆形、矩形等）的高效绘制，同时兼顾代码的可扩展性和性能优化。

Answer 1

1. 函数重载

函数重载是指在同一作用域内，可以有多个同名函数，但这些函数的参数列表（参数个数、类型或顺序）不同。在图形绘制框架中，函数重载可以用于处理不同类型图形的绘制。

// 简单的图形基类
class Shape {
public:
    virtual ~Shape() = default;
};

// 圆形类
class Circle : public Shape {
public:
    Circle(float radius) : radius(radius) {}
    float radius;
};

// 矩形类
class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(float width, float height) : width(width), height(height) {}
    float width;
    float height;
};

// 函数重载：绘制圆形
void draw(const Circle& circle) {
    std::cout << "Drawing a circle with radius " << circle.radius << std::endl;
}

// 函数重载：绘制矩形
void draw(const Rectangle& rectangle) {
    std::cout << "Drawing a rectangle with width " << rectangle.width << " and height " << rectangle.height << std::endl;
}

2. 虚函数

虚函数用于实现运行时多态。通过在基类中定义虚函数，并在派生类中重写这些函数，可以根据对象的实际类型来调用正确的函数。

class Shape {
public:
    virtual void draw() const = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};

class Circle : public Shape {
public:
    Circle(float radius) : radius(radius) {}
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a circle with radius " << radius << std::endl;
    }
    float radius;
};

class Rectangle : public Shape {
public:
    Rectangle(float width, float height) : width(width), height(height) {}
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a rectangle with width " << width << " and height " << height << std::endl;
    }
    float width;
    float height;
};

// 使用虚函数进行绘制
void drawShapes(const std::vector<std::unique_ptr<Shape>>& shapes) {
    for (const auto& shape : shapes) {
        shape->draw();
    }
}

3. 模板元编程

模板元编程（TMP）是一种在编译期进行计算的技术，可以用来生成高效的代码，减少运行时开销。在图形绘制框架中，可以使用模板元编程来优化特定类型图形的绘制。

// 模板元编程示例：根据图形类型选择优化的绘制算法
template <typename ShapeType>
struct ShapeDrawer {
    static void draw(const ShapeType& shape) {
        // 通用绘制逻辑
        std::cout << "Default drawing for shape" << std::endl;
    }
};

template <>
struct ShapeDrawer<Circle> {
    static void draw(const Circle& circle) {
        // 优化的圆形绘制逻辑
        std::cout << "Optimized drawing for circle with radius " << circle.radius << std::endl;
    }
};

template <>
struct ShapeDrawer<Rectangle> {
    static void draw(const Rectangle& rectangle) {
        // 优化的矩形绘制逻辑
        std::cout << "Optimized drawing for rectangle with width " << rectangle.width << " and height " << rectangle.height << std::endl;
    }
};

// 使用模板元编程进行绘制
template <typename ShapeType>
void drawOptimized(const ShapeType& shape) {
    ShapeDrawer<ShapeType>::draw(shape);
}

4. 结合三者实现图形绘制框架

通过结合函数重载、虚函数和模板元编程，可以实现一个高度灵活和高效的图形绘制框架。

// 基类及派生类定义不变

// 结合函数重载与虚函数
void draw(const Shape& shape) {
    shape.draw();
}

// 结合模板元编程
template <typename ShapeType>
void drawOptimized(const ShapeType& shape) {
    ShapeDrawer<ShapeType>::draw(shape);
}

int main() {
    std::vector<std::unique_ptr<Shape>> shapes;
    shapes.emplace_back(std::make_unique<Circle>(5.0f));
    shapes.emplace_back(std::make_unique<Rectangle>(4.0f, 3.0f));

    // 使用虚函数绘制
    drawShapes(shapes);

    // 使用函数重载绘制
    Circle circle(6.0f);
    Rectangle rectangle(5.0f, 4.0f);
    draw(circle);
    draw(rectangle);

    // 使用模板元编程优化绘制
    drawOptimized(circle);
    drawOptimized(rectangle);

    return 0;
}

这样，通过函数重载处理不同类型图形的绘制，虚函数实现运行时多态，模板元编程优化特定类型图形的绘制，实现了一个既灵活又高效的图形绘制框架，兼顾了代码的可扩展性和性能优化。