QList 的多态 class 与 copy-on-write？

Question

我正在尝试创建一个仍然使用 Qt implicit sharing 的多态类型的 QList。

我的具体用例是将 QList 中保存的项目传递给 QtConcurrent::mapped。这些项目都来自一个基 class，它定义了一个 QtConcurrent::mapped 将调用的虚函数。大多数存储的数据将是 child class 特定的。这些项目可以在线程开始后进行编辑，给我留下两个主要选项，锁定或复制数据。我不想锁定，因为这会消除使用额外线程的大部分目的。另外，制作我的数据的完整副本似乎也很不可取。相反，我想使用 Qt 的隐式共享来只复制我更改的数据项，但是我似乎无法制作仍然使用隐式共享的多态类型的 QList。

QList by default uses implicit sharing，所以乍一看好像我们已经完成了。

QList<Base> list;
Derived derived_obj;
list.append(derived_obj); // this fails

然而，将 child class 附加到 parent class 的 QList 将不起作用， standard answer 将改为使用 QList指向基 class 的 QSharedPointers，它将接受附加指向 child class 的指针。

QList<QSharedPointer<Base> > pointer_list;
QSharedPointer<Derived> derived_pointer;
pointer_list.append(derived_pointer); // this works but there is no copy-on-write

如果我使用 QSharedPointer 的 QList，将被复制的是 QSharedPointer 而不是我的多态 class，这意味着我已经失去了我想要的 copy-on-write 功能。

我也看过使用 QSharedDataPointers 的 QList。

QList<QSharedDataPointer<Base> > data_pointer_list;
QSharedDataPointer<Derived> derived_data_pointer;
list.append(derived_data_pointer); // this fails

然而，就像 QList 本身一样，QSharedDataPointers 似乎不接受多态类型。

Answer 1

这失败了：

QList<QSharedDataPointer<Base>> list;
QSharedDataPointer<Derived> derived(new Derived);
list.append(derived);

注意下面的另一种方法是合并 PolymorphicShared 和 PolymorphicSharedBase 以直接向 QSharedDataPointer 添加多态支持，无需对 QSharedData 派生类型提出特殊要求（例如，它不需要明确支持 clone）。这需要更多的工作。以下只是一种工作方法。

QSharedDataPointer确实是你要找的答案，绝对可以保持多态QSharedData。您需要将类型分成基于 QSharedData 的层次结构和另一个包装 QSharedDataPointer 的并行层次结构。 QSharedDataPointer 通常不打算由 class 的最终用户直接使用。它是一个实现细节，可用于实现隐式共享 class.

为了效率起见，QSharedDataPointer 是一个可以在位级别移动的小型类型。当存储在各种容器中时，它非常有效 - 特别是在可以利用类型特征来了解这一点的 Qt 容器中属性。 class 使用 QSharedDataPointer 的大小通常会加倍，如果我们使它本身多态，因此不这样做会有所帮助。当然，指向的数据类型可以是多态的。

首先，让我们定义一个相当通用的基础 class PIMPL，您将在其上构建层次结构。 PIMPL class 可以转储到调试流中并进行克隆。

// https://github.com/KubaO/Whosebugn/tree/master/questions/implicit-list-44593216
#include <QtCore>
#include <type_traits>

class PolymorphicSharedData : public QSharedData {
public:
   virtual PolymorphicSharedData * clone() const = 0;
   virtual QDebug dump(QDebug) const = 0;
   virtual ~PolymorphicSharedData() {}
};

xxxData 类型是 PIMPL，不适合最终用户使用。用户应该使用 xxx 类型本身。这个共享类型然后包装多态 PIMPL 并使用 QSharedDataPointer 来存储 PIMPL。它公开了 PIMPL 的方法。

类型本身不是多态的，为了节省虚拟table指针的大小。通过将多态性重定向到 PIMPL，as() 函数的作用与 dynamic_cast() 相同。

class PolymorphicShared {
protected:
   QSharedDataPointer<PolymorphicSharedData> d_ptr;
   PolymorphicShared(PolymorphicSharedData * d) : d_ptr(d) {}
public:
   PolymorphicShared() = default;
   PolymorphicShared(const PolymorphicShared & o) = default;
   PolymorphicShared & operator=(const PolymorphicShared &) = default;
   QDebug dump(QDebug dbg) const { return d_ptr->dump(dbg); }
   template <class T> typename
   std::enable_if<std::is_pointer<T>::value, typename
   std::enable_if<!std::is_const<typename std::remove_pointer<T>::type>::value, T>::type>
   ::type as() {
      if (dynamic_cast<typename std::remove_pointer<T>::type::PIMPL*>(d_ptr.data()))
         return static_cast<T>(this);
      return {};
   }
   template <class T> typename
   std::enable_if<std::is_pointer<T>::value, typename
   std::enable_if<std::is_const<typename std::remove_pointer<T>::type>::value, T>::type>
   ::type as() const {
      if (dynamic_cast<const typename std::remove_pointer<T>::type::PIMPL*>(d_ptr.data()))
         return static_cast<T>(this);
      return {};
   }
   template <class T> typename
   std::enable_if<std::is_reference<T>::value, typename
   std::enable_if<!std::is_const<typename std::remove_reference<T>::type>::value, T>::type>
   ::type as() {
      Q_UNUSED(dynamic_cast<typename std::remove_reference<T>::type::PIMPL&>(*d_ptr));
      return static_cast<T>(*this);
   }
   template <class T> typename
   std::enable_if<std::is_reference<T>::value, typename
   std::enable_if<std::is_const<typename std::remove_reference<T>::type>::value, T>::type>
   ::type as() const {
      Q_UNUSED(dynamic_cast<const typename std::remove_reference<T>::type::PIMPL&>(*d_ptr));
      return static_cast<T>(*this);
   }
   int ref() const { return d_ptr ? d_ptr->ref.load() : 0; }
};

QDebug operator<<(QDebug dbg, const PolymorphicShared & val) {
   return val.dump(dbg);
}

Q_DECLARE_TYPEINFO(PolymorphicShared, Q_MOVABLE_TYPE);

#define DECLARE_TYPEINFO(concreteType) Q_DECLARE_TYPEINFO(concreteType, Q_MOVABLE_TYPE)

template <> PolymorphicSharedData * QSharedDataPointer<PolymorphicSharedData>::clone() {
   return d->clone();
}

一个帮助程序，可以轻松地将抽象基础 class 与派生数据类型一起使用。它将 d-ptr 转换为正确的派生 PIMPL 类型，并将构造函数参数转发给 PIMPL 的构造函数。

template <class Data, class Base = PolymorphicShared> class PolymorphicSharedBase : public Base {
   friend class PolymorphicShared;
protected:
   using PIMPL = typename std::enable_if<std::is_base_of<PolymorphicSharedData, Data>::value, Data>::type;
   PIMPL * d() { return static_cast<PIMPL*>(&*this->d_ptr); }
   const PIMPL * d() const { return static_cast<const PIMPL*>(&*this->d_ptr); }
   PolymorphicSharedBase(PolymorphicSharedData * d) : Base(d) {}
   template <typename T> static typename std::enable_if<std::is_constructible<T>::value, T*>::type
   construct() { return new T(); }
   template <typename T> static typename std::enable_if<!std::is_constructible<T>::value, T*>::type
   construct() { return nullptr; }
public:
   using Base::Base;
   template<typename ...Args,
            typename = typename std::enable_if<std::is_constructible<Data, Args...>::value>::type
            > PolymorphicSharedBase(Args&&... args) :
      Base(static_cast<PolymorphicSharedData*>(new Data(std::forward<Args>(args)...))) {}
   PolymorphicSharedBase() : Base(construct<Data>()) {}
};

现在拥有 PIMPL 类型及其运营商的平行层次结构是一件简单的事情。首先，我们的层次结构中的一个基本抽象类型添加了两个方法。请注意 PolymorphicSharedBase 如何添加正确类型的 d() 访问器。

class MyAbstractTypeData : public PolymorphicSharedData {
public:
   virtual void gurgle() = 0;
   virtual int gargle() const = 0;
};

class MyAbstractType : public PolymorphicSharedBase<MyAbstractTypeData> {
public:
   using PolymorphicSharedBase::PolymorphicSharedBase;
   void gurgle() { d()->gurgle(); }
   int gargle() const { return d()->gargle(); }
};
DECLARE_TYPEINFO(MyAbstractType);

然后，一个没有添加新方法的具体类型：

class FooTypeData : public MyAbstractTypeData {
protected:
   int m_foo = 0;
public:
   FooTypeData() = default;
   FooTypeData(int data) : m_foo(data) {}
   void gurgle() override { m_foo++; }
   int gargle() const override { return m_foo; }
   MyAbstractTypeData * clone() const override { return new FooTypeData(*this); }
   QDebug dump(QDebug dbg) const override {
      return dbg << "FooType-" << ref << ":" << m_foo;
   }
};

using FooType = PolymorphicSharedBase<FooTypeData, MyAbstractType>;
DECLARE_TYPEINFO(FooType);

还有一种添加方法的类型。

class BarTypeData : public FooTypeData {
protected:
   int m_bar = 0;
public:
   BarTypeData() = default;
   BarTypeData(int data) : m_bar(data) {}
   MyAbstractTypeData * clone() const override { return new BarTypeData(*this); }
   QDebug dump(QDebug dbg) const override {
      return dbg << "BarType-" << ref << ":" << m_foo << "," << m_bar;
   }
   virtual void murgle() { m_bar++; }
};

class BarType : public PolymorphicSharedBase<BarTypeData, FooType> {
public:
   using PolymorphicSharedBase::PolymorphicSharedBase;
   void murgle() { d()->murgle(); }
};
DECLARE_TYPEINFO(BarType);

我们要验证 as() 方法是否按需要抛出：

template <typename F> bool is_bad_cast(F && fun) {
   try { fun(); } catch (std::bad_cast) { return true; }
   return false;
}

隐式共享类型的使用与 Qt 自己的此类类型的使用没有什么不同。我们也可以使用 as 而不是 dynamic_cast.

进行转换

int main() {
   Q_ASSERT(sizeof(FooType) == sizeof(void*));
   MyAbstractType a;
   Q_ASSERT(!a.as<FooType*>());
   FooType foo;
   Q_ASSERT(foo.as<FooType*>());
   a = foo;
   Q_ASSERT(a.ref() == 2);
   Q_ASSERT(a.as<const FooType*>());
   Q_ASSERT(a.ref() == 2);
   Q_ASSERT(a.as<FooType*>());
   Q_ASSERT(a.ref() == 1);
   MyAbstractType a2(foo);
   Q_ASSERT(a2.ref() == 2);

   QList<MyAbstractType> list1{FooType(3), BarType(8)};
   auto list2 = list1;
   qDebug() << "After copy:         " << list1 << list2;
   list2.detach();
   qDebug() << "After detach:       " << list1 << list2;
   list1[0].gurgle();
   qDebug() << "After list1[0] mod: " << list1 << list2;

   Q_ASSERT(list2[1].as<BarType*>());
   list2[1].as<BarType&>().murgle();
   qDebug() << "After list2[1] mod: " << list1 << list2;

   Q_ASSERT(!list2[0].as<BarType*>());
   Q_ASSERT(is_bad_cast([&]{ list2[0].as<BarType&>(); }));

   auto const list3 = list1;
   Q_ASSERT(!list3[0].as<const BarType*>());
   Q_ASSERT(is_bad_cast([&]{ list3[0].as<const BarType&>(); }));
}

输出：

After copy:          (FooType-1:3, BarType-1:0,8) (FooType-1:3, BarType-1:0,8)
After detach:        (FooType-2:3, BarType-2:0,8) (FooType-2:3, BarType-2:0,8)
After list1[0] mod:  (FooType-1:4, BarType-2:0,8) (FooType-1:3, BarType-2:0,8)
After list2[1] mod:  (FooType-1:4, BarType-1:0,8) (FooType-1:3, BarType-1:0,9)

列表复制很浅，项目本身没有被复制：引用计数都是 1。分离后，所有数据项都被复制，但因为它们是隐式共享的，所以它们只增加了它们的引用计数。最后，一个item被修改后，自动detach，引用计数降回1。

QList 的多态 class 与 copy-on-write？

QList of a polymorphic class with copy-on-write?

c++

polymorphism

qt

copy-on-write

qlist