面试题：C++ 指针在多态与模板结合场景下的深度应用

Question

在 C++ 中，结合模板和多态是一种强大的编程技术。请设计一个场景，利用模板元编程和 C++ 指针实现多态，使得程序能够在编译期根据不同的类型参数选择合适的虚函数行为。阐述这种实现背后的原理，并编写完整且高效的代码示例，同时分析该实现可能带来的性能和维护方面的优缺点。

Answer 1

场景设计

假设我们有一个图形绘制系统，不同类型的图形（如圆形、矩形等）都有自己的绘制方法。我们希望在编译期根据图形类型选择合适的绘制函数。

原理阐述

模板元编程允许我们在编译期进行计算和决策。通过模板特化，我们可以针对不同的类型参数提供不同的实现。结合指针，我们可以实现类似多态的行为，在编译期确定调用哪个函数。

代码示例

#include <iostream>

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

// 圆形类
class Circle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a circle." << std::endl;
    }
};

// 矩形类
class Rectangle : public Shape {
public:
    void draw() const override {
        std::cout << "Drawing a rectangle." << std::endl;
    }
};

// 模板元编程选择函数
template <typename T>
void drawShape(const Shape* shape) {
    static_assert(false, "Unsupported shape type");
}

template <>
void drawShape<Circle>(const Shape* shape) {
    static_cast<const Circle*>(shape)->draw();
}

template <>
void drawShape<Rectangle>(const Shape* shape) {
    static_cast<const Rectangle*>(shape)->draw();
}

int main() {
    Circle circle;
    Rectangle rectangle;

    drawShape<Circle>(&circle);
    drawShape<Rectangle>(&rectangle);

    return 0;
}

性能优缺点

• 优点：
  • 编译期决策，没有运行时的虚函数表查找开销，提高了运行效率。
  • 可以利用编译期优化，生成更高效的代码。
• 缺点：
  • 代码膨胀，因为针对不同类型参数会生成不同的代码实例。

维护优缺点

• 优点：
  • 类型安全，编译期检查可以避免很多运行时错误。
  • 逻辑清晰，模板特化使得不同类型的处理逻辑分离。
• 缺点：
  • 模板代码复杂，可读性较差，维护成本较高。
  • 当新增类型时，需要添加新的模板特化，可能影响已有代码。