C++中代数数据类型的等价物是什么？

Question

假设我有以下的Haskell代码:

data RigidBody = RigidBody Vector3 Vector3 Float Shape -- position, velocity, mass and shape
data Shape = Ball Float -- radius
           | ConvexPolygon [Triangle]

在C++中，最好的表达方式是什么？

struct Rigid_body {
    glm::vec3 position;
    glm::vec3 velocity;
    float mass;
    *???* shape;
};

我想问的是，在结构体中如何表示形状，当它可以是两种类型之一。

- user3133295

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什么是问题？如何引用尚未定义的不同类型“Shape”？如何创建一个类型“Shape”，它实际上是一组其他类型之一？以上所有内容？您可能需要考虑研究不同的编程范例，直接将Haskell翻译成C ++很可能不会很好地工作... - David Rodríguez - dribeas

我认为最简单的方法是使用结构体的联合，但我宁愿尝试编写Haskell解析器，也不想在C++中编写任何程序。 - dfeuer

我想问的是如何将这种“variant”类型翻译成C++所使用的任何范例。请参见我的编辑。 - user3133295

@user3133295：恕我直言，最好先学习C++，然后再尝试解决这个问题，而不是在没有了解C++习语的情况下尝试将Haskell翻译成C++。 - Oliver Charlesworth

Answer 1

在C++中，有不同的方法可以用来解决这个问题。

纯面向对象的方法是定义一个接口Shape，并将两种不同的选项作为实现该接口的派生类型。然后，RigidBody将包含指向Shape的指针，该指针将被设置为引用Ball或ConvexPolygon之一。优点：人们喜欢面向对象编程（不确定这是否真的是优点:))，易于扩展（您可以稍后添加更多形状而无需更改类型）。缺点：您应该为Shape定义一个适当的接口，它需要动态分配内存。

放弃面向对象，您可以使用boost::variant或类似类型，它基本上是一个标记联合，将保存其中一个类型。优点：没有动态分配，形状局部于对象。缺点：不是纯面向对象的（人们喜欢面向对象，您没忘吧？），不太容易扩展，不能通用地使用形状。

- David Rodríguez - dribeas

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我并不在乎通用性。我不想要求我的“刚体”创建者手动分配内存。我宁愿为刚体制造两个构造函数，然后构造形状本身。 - user3133295

@user3133295：在C++中的构造函数并不像在Haskell中的“构造函数”那样。如果你使用C++，最终你还是需要进行内存分配，但这对用户来说并不是一个可怕的负担（例如 RigidBody 的构造函数可以接受一个 Shape*）。实际上，在C++中，面向对象编程方法比 boost::variant 方法更加普遍。如果你使用动态分配的内存，请记得使用智能指针来自动释放内存，以减轻手动内存管理的负担。 - David Rodríguez - dribeas

如果我不想让这两个形状有任何共同之处怎么办？我无法将Shape转换为Ball，因为显然Shape不是多态类型。 - user3133295

如果你想使用多态性，你需要使你的类型具有多态性。如果没有其他原因，也要能够在某个时候“删除”对象！ - David Rodríguez - dribeas

我不明白为什么1）面向对象编程在C++中是多范式的，所以根本无关紧要；2）boost::variant怎么可能不是面向对象的（在继承方面没有意义）。 - user1804599

Boost variant 不够高效，因为它会双重分配所有内存，包括至少一个在堆上的内存，即使 variant 在栈上。 - johnbakers

Answer 2

还有一种可能性是使用 boost::variant，它将在C++17中作为 std::variant 添加到标准库中：

struct Ball { float radius; };
struct ConvexPolygon { Triangle t; }

using Shape = boost::variant<Ball, ConvexPolygon>;

这种方法的优点：

• 与标记联合不同，是类型安全的
• 可以持有复杂类型，不像联合体
• 与OO不同，不需要所有“子”类型具有统一接口

缺点如下：

• 有时需要在访问变量时进行类型检查以确认它是您想要的类型，不像OO
• 需要使用boost或C++17兼容；这可能对某些编译器或某些组织而言很困难，因为OO和联合体得到了普遍支持

- robbrit

Answer 3

在C++中，规范的做法是采用Justin Wood所提供的基于继承的解决方案。规范地，您可以为每种Shape赋予虚函数。

但是，C++也有union类型。您可以使用"tagged unions"。

struct Ball { /* ... */ };
struct Square { /* ... */ };
struct Shape {
  int tag;
  union {
    Ball b;
    Square s;
    /* ... */
  }
};

你可以使用tag成员来指定Shape是一个Ball还是一个Square或其他任何形状。你可以在tag成员上使用switch等操作。

这种方法的缺点是，Shape比最大的Ball和Square和其他形状都多一个int；在OCaml等对象中不存在此问题。

你使用哪种技术取决于如何使用Shape。

- tmyklebu

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在C++03中，联合类型的使用受到限制且不太方便。如果联合体中的任何元素不是POD类型，则需要添加自己的构造函数、复制构造函数和赋值运算符，并手动管理对象的生命周期。这就是boost::variant为您解决的问题。在C++11中，联合类型的使用方式变得更加笨拙。 - David Rodríguez - dribeas

@DavidRodríguez-dribeas：是的。我无法想象为什么“Ball”或“Square”不会是POD。 - tmyklebu

在 Haskell 代码中，它不是 Square，而是 ConvexPolygon，它可能具有可变数量的顶点。 - David Rodríguez - dribeas

@DavidRodríguez-dribeas：收到。 - tmyklebu

可怕！这种方法肯定会导致疯狂。你正在通过联合和整数标签重新发明多态性，然后信任其他开发人员遵循访问元素的规则。使用OO层次结构，如果需要专门的方法并且不能通过虚函数进行泛化，则使用dynamic_cast到专门的类型将为您提供联合设计所不具备的类型安全性。 - Nathan

@Nathan：是的，你可以使用一堆 dynamic_cast。但我不知道如何在对象的动态类型上进行 switch。 - tmyklebu

Answer 4

你需要创建一个基类Shape。从这里开始，你可以创建实际的形状类Ball和ConvexPolygon。你需要确保Ball和ConvexPolygon是基类的子类。

class Shape {
    // Whatever commonalities you have between the two shapes, could be none.
};

class Ball: public Shape {
    // Whatever you need in your Ball class
};

class ConvexPolygon: public Shape {
    // Whatever you need in your ConvexPolygon class
};

现在，您可以像这样创建一个通用对象。

struct Rigid_body {
    glm::vec3 position;
    glm::vec3 velocity;
    float mass;
    Shape *shape;
};

当你实际初始化shape变量时，可以使用Ball或ConvexPolygon类进行初始化。您可以继续创建任意数量的形状。

- Justin Wood

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你可能希望 Rigid_body 拥有一个 Shape * 而不是一个 Shape，这样你就可以避免切片问题。 - tmyklebu

已经修复。 - Justin Wood