C#模擬C++模板特化對型別的值的支援

寡人正在Coding發表於2023-04-17
C#C++型別

概述

C++的模板相比於C#的泛型，有很多地方都更加的靈活（雖然代價是降低了編譯速度），比如C++支援變長引數模板、支援列舉、int等型別的值作為模板引數。
C++支援列舉、int等型別的值作為模板引數，為C++的靜態多型程式設計提供了很好的幫助，比如根據列舉值編譯期確定某個物件的行為策略等（下文舉例）。但是C#對這些都是不支援，但是C#天然支援反射，這種需求可以使用反射特性來實現。

需求示例

定義列舉 enum EPlant {Tree, Flower}，根據列舉的值列印Tree,Flower字串。注意，這裡的應用場景是編譯器時的多型，即編碼時便確定使用的物件的型別。

C++的實現

上述的例子，C++的語法支援可以天然的實現，如下：

#include <iostream>

enum class EPlant
{
    Tree = 0,
    Flower,
};

template<EPlant ...Args>
class PrintPlant
{
    
};

template<>
class PrintPlant<>
{
public:
    void Print()
    {
        std::cout << "Plant" << std::endl;;
    }
};

template<>
class PrintPlant<EPlant::Tree>
{
public: 
    void Print()
    {
        std::cout << "Tree" << std::endl;;
    }
};

template<>
class PrintPlant<EPlant::Flower>
{
public:
    void Print()
    {
        std::cout << "Flower" << std::endl;
    }
};

int main()
{
    auto plant = new PrintPlant<>();
    plant->Print();
    auto flower = new PrintPlant<EPlant::Flower>();
    flower->Print();
    auto tree = new PrintPlant<EPlant::Tree>();
    tree->Print();
}

輸出：
image

  • template<EPlant ...Args> 這裡使用變長引數模板，來支援沒有傳入模板引數的情況，特化型別Print函式列印"plant"
  • template<> class PrintPlant<EPlant::Tree> 模板特化的型別，在main裡使用了new PrintPlant<EPlant::Tree>();語句建立該型別的物件。該物件列印"Tree"。

C# 實現

C#的模板不支援列舉的值作為模板引數，使用反射進行模擬。

using System;
using System.Reflection;
using System.Collections.Generic;

[AttributeUsage(AttributeTargets.Class, AllowMultiple = false)]
public class ABTEX : Attribute
{
    public object key;

    public ABTEX(object k)
    {
        key = k;
    }
}

public class TEX
{
    static Dictionary<Type, Dictionary<Type, Dictionary<string, object>>> dict;
    public static void Init(Type[] types)
    {
        dict = new();
        foreach (var t in types)
        {
            var ABTEX = t.GetCustomAttribute<ABTEX>();
            var bt = t.BaseType;
            if (ABTEX != null && bt != null)
            {
                AddInst(t, bt, ABTEX.key);
            }
        }
    }

    static string FmtKey(object key)
    {
        return $"{key}";
    }

    static void AddInst(Type ty, Type bt, object key)
    {
        if (!dict.ContainsKey(bt))
        {
            dict[bt] = new();
        }

        var kt = key.GetType();
        string k = FmtKey(key);

        if (!dict[bt].ContainsKey(kt))
        {
            dict[bt][kt] = new();
        }

        dict[bt][kt][k] = Activator.CreateInstance(ty);
    }

    static public R T<R>(object key)
    {
        if (dict.TryGetValue(typeof(R), out Dictionary<Type, Dictionary<string, object>> dbt))
        {
            var kt = key.GetType();
            string k = FmtKey(key);
            if (dbt.TryGetValue(kt, out Dictionary<string, object> kbt))
            {
                if (kbt.TryGetValue(k, out object ins))
                {
                    return (R)ins;
                }
            }
        }

        return default(R);
    }
}

public enum EPlant : int
{
    None = 0,
    Tree,
    Flower,
}

public class APrintPlant
{
    public virtual void Print()
    {
        Console.WriteLine("Plant");
    }
}

[ABTEX(EPlant.Tree)]
public class PrintTree : APrintPlant
{
    public override void Print()
    {
        Console.WriteLine("Tree");
    }
}

[ABTEX(EPlant.Flower)]
public class PrintFlower : APrintPlant
{
    public override void Print()
    {
        Console.WriteLine("Flower");
    }
}

class Program
{
    static void Main(string[] args)
    {
        var all = Assembly.GetExecutingAssembly().GetTypes();
        TEX.Init(all);
        TEX.T<APrintPlant>(EPlant.Tree).Print();
        TEX.T<APrintPlant>(EPlant.Flower).Print();
    }
}

輸出：
image
C#可以儲存型別資訊到執行期，透過執行期分析型別資訊建立物件實現靜態多型。

  • TEX類分析傳入的所有型別，篩選父類和ABTEX特性，使用父型別，ABTEX的key的型別和值來索引該型別。（這裡索引是例項物件，有需求的話可以儲存型別Type，使用型別透過反射建立物件）
  • ABTEX標記需要反射分析的型別，並且標記key。
  • Main入口獲取當前程式集下所有的型別資訊，初始化TEX
  • 透過TEX.T<抽象類>（key）.Func 呼叫方法（注意： 這裡使用這些類作為純函式的類，故使用類似單例的用法。也可以在初始化記錄型別，透過反射建立多個例項。）

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