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c++怎么实现一个类型擦除(Type Erasure)的函数包装器_C++泛型编程与类型擦除技巧

裘德小鎮的故事

发布： 2025-11-17 12:33:05

原创

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类型擦除通过基类虚函数统一接口，模板派生类保存具体可调用对象，包装器持基类指针实现值语义，支持任意可调用类型但隐藏具体类型，如简易std::function实现所示。

c++怎么实现一个类型擦除(type erasure)的函数包装器_c++泛型编程与类型擦除技巧

类型擦除（Type Erasure）是一种让不同类型共享统一接口的技术，常用于实现类似 std::function 的泛型函数包装器。它能隐藏具体类型信息，只暴露行为接口，从而实现运行时多态而无需继承体系。

基本思路：封装可调用对象

目标是实现一个通用的函数包装器，支持任意可调用类型（函数指针、lambda、仿函数等），但对外呈现统一类型。核心是把“具体类型”擦除，只保留“调用能力”。

我们通过以下组件实现：

基类接口：定义调用操作的虚函数
模板派生类：保存具体可调用对象
包装器类：持有基类指针，提供值语义

手动实现简易 std::function

下面是一个简化版的函数包装器，支持无参返回 int 的调用：

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#include <memory>
#include <iostream>

class Function {
  struct CallableBase {
    virtual ~CallableBase() = default;
    virtual int call() = 0;
    virtual std::unique_ptr<CallableBase> clone() const = 0;
  };

  template <typename F>
  struct CallableModel : CallableBase {
    F func;
    explicit CallableModel(F f) : func(std::move(f)) {}

    int call() override { return func(); }

    std::unique_ptr<CallableBase> clone() const override {
      return std::make_unique<CallableModel>(func);
    }
  };

  std::unique_ptr<CallableBase> callable;

public:
  Function() = default;

  template <typename F>
  Function(F f) : callable(std::make_unique<CallableModel<F>>(std::move(f))) {}

  Function(const Function& other)
    : callable(other.callable ? other.callable->clone() : nullptr) {}

  Function& operator=(const Function& other) {
    if (this != &other) {
      callable = other.callable ? other.callable->clone() : nullptr;
    }
    return *this;
  }

  Function(Function&&) = default;
  Function& operator=(Function&&) = default;

  int operator()() const {
    if (!callable) throw std::bad_function_call();
    return callable->call();
  }

  explicit operator bool() const { return !!callable; }
};

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使用示例：

魔术橡皮擦

智能擦除、填补背景内容

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int foo() { return 42; }

int main() {
  Function f1 = []{ return 100; };
  Function f2 = foo;

  std::cout << f1() << "\n"; // 输出 100
  std::cout << f2() << "\n"; // 输出 42

  Function f3 = f1;
  std::cout << f3() << "\n"; // 输出 100
}

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支持任意签名和参数

要支持不同函数签名，可将 Function 改为模板：

template <typename Signature>
class Function;

template <typename R, typename... Args>
class Function<R(Args...)> {
  struct CallableBase {
    virtual ~CallableBase() = default;
    virtual R call(Args... args) = 0;
    virtual std::unique_ptr<CallableBase> clone() const = 0;
  };

  template <typename F>
  struct CallableModel : CallableBase {
    F func;
    explicit CallableModel(F f) : func(std::move(f)) {}

    R call(Args... args) override { return func(std::forward<Args>(args)...); }

    std::unique_ptr<CallableBase> clone() const override {
      return std::make_unique<CallableModel>(func);
    }
  };

  std::unique_ptr<CallableBase> callable;

public:
  Function() = default;

  template <typename F>
  Function(F f) : callable(std::make_unique<CallableModel<F>>(std::move(f))) {}

  Function(const Function& other)
    : callable(other.callable ? other.callable->clone() : nullptr) {}

  Function& operator=(const Function& other) {
    if (this != &other) {
      callable = other.callable ? other.callable->clone() : nullptr;
    }
    return *this;
  }

  Function(Function&&) = default;
  Function& operator=(Function&&) = default;

  R operator()(Args... args) const {
    if (!callable) throw std::bad_function_call();
    return callable->call(std::forward<Args>(args)...);
  }

  explicit operator bool() const { return !!callable; }
};

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