c++ - 嵌入式 C++ : dynamic typing without dynamic allocation?

Question

这是我的问题，经过简化:

• 我有一个 C/C++ 代码，C 用于服务，C++ 用于处理。
• 我在 C 中有一个接口(interface)，它返回一个结构 RawData，其中包含周期性更新的信息。

    enum AnimalType_t
    {
                DOG                         = 0,
                GREY_HOUND                  = 1,
                IMMORTAL_JELLYFISH          = 2,
    };
    struct RawData_t
    {
        int             age;
        AnimalType_t    typeOfAnimal;
    };

    RawData_t GetMyCurrentRawData();//returns the current raw data
    bool      IsDataReady(); //returns true if data is ready, false otherwise

• 我有一个虚拟妈妈类“动物”

    class Animal
    {
    public:
        virtual Animal();
        virtual ~Animal();
        int GetType() { return rawAttributes.typeOfAnimal; };   //the only implementation for all children
        virtual int GetAge() { return rawAttributes.age; };     //to be implemented in the child class
        virtual void UpdateAge() { rawAttributes.age++; };  //to be implemented in the child class
        virtual int GetNumberOfLegs() = 0;                      //to be implemented in the child class
    private:
        RawData_t rawAttributes;
    }

• 我有一个已知的从母类继承的动物列表。

    class Dog : public Animal
    {
    public:
        Dog(RawData rawData):Animal(rawData){};
        int GetNumberOfLegs() {return 4;};                  
    };

    class GreyHound : public Dog
    {
    public:
        GreyHound(RawData rawData):Dog(rawData){};
    };

    class ImmortalJellyFish : public Animal
    {
    public:
        ImmortalJellyFish(RawData rawData):Animal(rawData){};
        int GetNumberOfLegs() {return 0;};      
        void UpdateAge() { return;} override;
    };

• 我有一个“建筑物”类，其中有一个，只有一个，动物，但在实例化建筑物时我不知道它的类型。

    class Building
    {
    public:
        Building(){};
        //sorry for the long line, but you get the idea...
        int Display(void){if(IsDataReady()) DisplayOnScreen("This animal ( "+ animal_m.GetType()+") has " + animal_m.GetNumberOfLegs() + "legs and is " + animal_m.GetAge() + " years old\n";};
        int Live(void){currentDiagCode_m.UpdateAge();};

    private:
        auto                        animal_m; //?? not working
    };

    static Building paddock;
    static Building farm;

    void Buildings_Step(void)
    {
        paddock.Live();
        paddock.Display();
        farm.Live();
        farm.Display();
    }

这是我挣扎的地方:

• 在建筑物实例化期间为建筑物中的动物分配内存，而不知道其类型，
• 动物的类型和属性可能会周期性变化 换句话说:静态分配的动态类型是否可能？ 那么，我怎样才能调用这些实例以便调用正确的方法呢？

这是我的限制条件:

• 嵌入式系统
• 没有动态内存分配

我想:

• 使用 unique_ptr 的工厂设计模式效果很好!!!...但是，在堆上 :(
• 对象池？
• 动态类型:但没有动态分配是不可能的，是吗？

有什么设计/模型可以满足我的需求吗？

谢谢!

Answer 1

在 C++ 中，内存分配和对象存在是两个独立的概念，尽管在大多数情况下您会同时处理这两个概念。但是，在您的情况下，您可能希望明确地将两者分开:

1. 为任何对象创建足够的内存:

   char buf[N];    // N >= sizeof(T) for all T in your hierarchy
   

2. 创建动物:

   new (buf) GreyHound(args);
   

3. 消灭现有动物(并为另一只动物腾出空间):

   reinterpret_cast<Animal*>(buf)->~Animal();
   

也就是说，您获取存储作为容器对象的一部分，但您通过新放置和显式销毁动态管理 Animal 对象的生命周期。

还有更多内容:您的内存还需要针对您在其中构建的所有类型正确对齐。您可以使用一些库辅助特性，如 std::aligned_storage 或 std::aligned_union 来简化计算，尽管您可能仍需要做一些工作来计算大小和对齐方式。

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作为一个完全独立的替代方案，您可以放弃多态类层次结构并改用 std::variant。这在概念上是相似的，但在实现方面有些不同。这在概念上相似的原因是因为您有一组有限的类型，所以您实际上不需要多态性来在运行时处理任意的、未知的派生类型。