如何讓泛型支援多個interface? (.NET) (C/C++) (C#) (template) (C++/CLI)

Abstract
在(原創) 一個C++能跑的泛型，但在C#卻不能跑<已解決> (C++) (Template C++) (C#) 中，我們看到了.NET的Generics的multiple constraints是AND的關係，而非OR的關係，若要讓泛型支援OR的關係該如何做呢?

Introduction
我希望有一個Generic Handler，能同時支援Interface1和Interface2，UML表示如下


ISO C++

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : Template_SupportMultiInterface.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use template support multiple interface
 7Release     : 06/16/2007 1.0
 8*/
 9 #include  < iostream >
10
11 using   namespace  std;
12
13 class  Interface1  {
14public:
15  virtual void func1() = 0;
16  virtual void func2() = 0;
17} ;
18
19 class  Interface2  {
20public:
21  virtual void func1() = 0;
22  virtual void func3() = 0;
23} ;
24
25 class  Class1 :  public  Interface1  {
26public:
27  void func1() {
28    cout << "Class1's func1" << endl;
29  }
30  void func2() {
31    cout << "Class1's func2" << endl;
32  }
33} ;
34
35 class  Class2 :  public  Interface2  {
36public:
37  void func1() {
38    cout << "Class2's func1" << endl;
39  }
40  void func3() {
41    cout << "Class2's func3" << endl;
42  }
43} ;
44
45 class  IGeneric  {
46public:
47  virtual void func1() = 0;
48  virtual void func2() = 0;
49  virtual void func3() = 0;
50} ;
51
52 template < typename T >
53 class  GenericHandler :  public  IGeneric  {
54private:
55  T* _aClass;
56
57public:
58  GenericHandler(T* aClass) {
59    _aClass = aClass;
60  }
61
62  void func1() {
63    _aClass->func1();
64  }
65  
66  void func2() {
67    dynamic_cast<Interface1*>(_aClass)->func2();
68  }
69  
70  void func3() {
71    dynamic_cast<Interface2*>(_aClass)->func3();
72  }
73} ;
74
75
76 int  main()  {
77  Interface1* obj1 = new Class1;
78  Interface2* obj2 = new Class2;
79  
80  IGeneric* foo = new GenericHandler<Interface1>(obj1);
81  foo->func1();
82  foo->func2();
83  
84  foo = new GenericHandler<Interface2>(obj2);
85  foo->func1();
86  foo->func3();
87}

執行結果

Class1's func1
Class1's func2
Class2's func1
Class2's func3

ISO C++的template本來就類似macro，所以code並不讓人訝異，唯一是67行和71行的

dynamic_cast < Interface1 *> (_aClass) -> func2();

dynamic_cast < Interface2 *> (_aClass) -> func3();

是不得已而為之，因為func2本來就是Interface1獨有，而func3也是Interface2所獨有，所以得用casting。

C#
C#的泛型是用Generics，比較類似polymorphism的加強版，最大的特色就是要靠constraints，也因為如此，所以整個架構做了小小的調整，如同上一篇的技巧，將func1往上提到InterfaceBase，讓constraint為InterfaceBase。

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : Generics_SupportMultiInterface.cs
 5Compiler    : Visual Studio 2005 / C# 2.0
 6Description : Demo how to support multiple interface in Generics
 7Release     : 06/16/2007 1.0
 8*/
 9 using  System;
10
11 public   interface  InterfaceBase  {
12  void func1();
13}
14
15 public   interface  Interface1 : InterfaceBase  {
16  void func2();
17}
18
19 public   interface  Interface2 : InterfaceBase  {
20  void func3();
21}
22
23 public   class  Class1 : Interface1  {
24  public void func1() {
25    Console.WriteLine("Class1's func1");
26  }
27  
28  public void func2() {
29    Console.WriteLine("Class1's func2");
30  }
31}
32
33 public   class  Class2 : Interface2  {
34  public void func1() {
35    Console.WriteLine("Class2's func1");
36  }
37
38  public void func3() {
39    Console.WriteLine("Class1's func3");
40  }
41}
42
43 public   interface  IGeneric  {
44  void func1();
45  void func2();
46  void func3();
47}
48
49 public   class  GenericHandler < T >  : IGeneric where T : InterfaceBase  {
50  private T _aClass;
51
52  public GenericHandler(T aClass) {
53    _aClass = aClass;
54  }
55
56  public void func1() {
57    _aClass.func1();
58  }
59  
60  public void func2() {
61    ((Interface1)_aClass).func2();
62  }
63  
64  public void func3() {
65    ((Interface2)_aClass).func3();
66  }
67}
68
69 public   class  main  {
70  public static void Main() {
71    Interface1 obj1 = new Class1();
72    Interface2 obj2 = new Class2();
73    
74    IGeneric foo = new GenericHandler<Interface1>(obj1);
75    foo.func1();
76    foo.func2();
77
78    foo = new GenericHandler<Interface2>(obj2);
79    foo.func1();
80    foo.func3();
81  }
82}

執行結果

Class1's func1
Class1's func2
Class2's func1
Class2's func3

如同ISO C++，61行，65行還是得casting。

((Interface1)_aClass).func2();

((Interface2)_aClass).func3();

C++/CLI
這在C++/CLI就有趣了，因為C++/CLI提供兩種泛型，一種是ISO C++的template，一種是.NET的generics。

使用template

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2006 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : Template_SupportMutipleInterface.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / C++/CLI
 6Description : Demo how to support multiple interface in Generics
 7Release     : 06/16/2007 1.0
 8*/
 9 #include  " stdafx.h "
10
11 using   namespace  System;
12
13 public   interface   class  Interface1  {
14  void func1();
15  void func2();
16} ;
17
18 public   interface   class  Interface2  {
19  void func1();
20  void func3();
21} ;
22
23 public   ref   class  Class1 :  public  Interface1  {
24public:
25  virtual void func1() {
26    Console::WriteLine("Class1's func1");
27  }
28  
29  virtual void func2() {
30    Console::WriteLine("Class1's func2");
31  }
32} ;
33
34 public   ref   class  Class2 :  public  Interface2  {
35public:
36  virtual void func1() {
37    Console::WriteLine("Class2's func1");
38  }
39  
40  virtual void func3() {
41    Console::WriteLine("Class2's func3");
42  }
43} ;
44
45 public   interface   class  IGeneric  {
46  void func1();
47  void func2();
48  void func3();
49} ;
50
51 template < typename T >
52 public   ref   class  GenericHandler : IGeneric  {
53private:
54  T^ _aClass;
55
56public:
57  GenericHandler(T^ aClass) {
58    _aClass = aClass;
59  }
60
61  virtual void func1() {
62    _aClass->func1();
63  }
64  
65  virtual void func2() {
66    safe_cast<Interface1^>(_aClass)->func2();
67  }
68  
69  virtual void func3() {
70    safe_cast<Interface2^>(_aClass)->func3();
71  }
72} ;
73
74 int  main()  {
75  Interface1^ obj1 = gcnew Class1;
76  Interface2^ obj2 = gcnew Class2;
77  
78  IGeneric^ foo = gcnew GenericHandler<Interface1>(obj1);
79  foo->func1();
80  foo->func2();
81  
82  foo = gcnew GenericHandler<Interface2>(obj2);
83  foo->func1();
84  foo->func3();
85}

執行結果

Class1's func1
Class1's func2
Class2's func1
Class2's func3

使用generics

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2006 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : Generic_SupportMutipleInterface.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / C++/CLI
 6Description : Demo how to support multiple interface in Generics
 7Release     : 06/16/2007 1.0
 8*/
 9 #include  " stdafx.h "
10
11 using   namespace  System;
12
13 public   interface   class  InterfaceBase  {
14  void func1();
15} ;
16
17 public   interface   class  Interface1 : InterfaceBase  {
18  void func2();
19} ;
20
21 public   interface   class  Interface2 : InterfaceBase  {
22  void func3();
23} ;
24
25 public   ref   class  Class1 :  public  Interface1  {
26public:
27  virtual void func1() {
28    Console::WriteLine("Class1's func1");
29  }
30  
31  virtual void func2() {
32    Console::WriteLine("Class1's func2");
33  }
34} ;
35
36 public   ref   class  Class2 :  public  Interface2  {
37public:
38  virtual void func1() {
39    Console::WriteLine("Class2's func1");
40  }
41  
42  virtual void func3() {
43    Console::WriteLine("Class2's func3");
44  }
45} ;
46
47 public   interface   class  IGeneric  {
48  void func1();
49  void func2();
50  void func3();
51} ;
52
53 generic < typename T >  
54   where T : InterfaceBase
55 public   ref   class  GenericHandler : IGeneric  {
56private:
57  T _aClass;
58
59public:
60  GenericHandler(T aClass) {
61    _aClass = aClass;
62  }
63
64  virtual void func1() {
65    _aClass->func1();
66  }
67  
68  virtual void func2() {
69    safe_cast<Interface1^>(_aClass)->func2();
70  }
71  
72  virtual void func3() {
73    safe_cast<Interface2^>(_aClass)->func3();
74  }
75} ;
76
77 int  main()  {
78  Interface1^ obj1 = gcnew Class1;
79  Interface2^ obj2 = gcnew Class2;
80  
81  IGeneric^ foo = gcnew GenericHandler<Interface1^>(obj1);
82  foo->func1();
83  foo->func2();
84  
85  foo = gcnew GenericHandler<Interface2^>(obj2);
86  foo->func1();
87  foo->func3();
88}

執行結果

Class1's func1
Class1's func2
Class2's func1
Class2's func3

以上做法雖然可行，不過並不滿意，GenericHandler雖然同時支援了func1()、func2()、func3()，但func2()只有在泛型傳入為Interface1時使用才不會出現run-time error，若在傳入Interface2時去invoke了func2()，compiler並不會發現錯誤，要到run-time才發現錯誤。理想上，由於func1()對於Interface1或Interface2都支援，所以無論泛型傳入Interface1或Interface2，Interllisense皆該顯示func1()，但由於func2()只配合Interface1，func3()只配合Interface2，所以foo理想上應該透過一個casting後，才能顯示func2()或func3()，這樣可以避免client誤用而當機。

ISO C++

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : Template_SupportMultiInterface2.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / BCB 6.0 / gcc 3.4.2 / ISO C++
 6Description : Demo how to use template support multiple interface
 7Release     : 06/18/2007 1.0
 8*/
 9 #include  < iostream >
10
11 using   namespace  std;
12
13 class  Interface1  {
14public:
15  virtual void func1() = 0;
16  virtual void func2() = 0;
17} ;
18
19 class  Interface2  {
20public:
21  virtual void func1() = 0;
22  virtual void func3() = 0;
23} ;
24
25 class  Class1 :  public  Interface1  {
26public:
27  void func1() {
28    cout << "Class1's func1" << endl;
29  }
30  void func2() {
31    cout << "Class1's func2" << endl;
32  }
33} ;
34
35 class  Class2 :  public  Interface2  {
36public:
37  void func1() {
38    cout << "Class2's func1" << endl;
39  }
40  void func3() {
41    cout << "Class2's func3" << endl;
42  }
43} ;
44
45 class  IGenericBase  {
46public:
47  virtual void func1() = 0;
48} ;
49
50 class  IGeneric1 :  public  IGenericBase  {
51public:
52  virtual void func2() = 0;
53} ;
54
55 class  IGeneric2 :  public  IGenericBase  {
56public:
57  virtual void func3() = 0;
58} ;
59
60 template < typename T >
61 class  GenericHandler :  public  IGenericBase, IGeneric1, IGeneric2  {
62private:
63  T* _aClass;
64
65public:
66  GenericHandler(T* aClass) {
67    _aClass = aClass;
68  }
69  
70  void func1() {
71    _aClass->func1();
72  }
73  
74  void func2() {
75    dynamic_cast<Interface1*>(_aClass)->func2();
76  }
77  
78  void func3() {
79    dynamic_cast<Interface2*>(_aClass)->func3();
80  }
81} ;
82
83 int  main()  {
84  Interface1* obj1 = new Class1;
85  Interface2* obj2 = new Class2;
86  
87  IGenericBase* foo = new GenericHandler<Interface1>(obj1);
88  foo->func1();
89  dynamic_cast<IGeneric1*>(++foo)->func2();
90  
91  foo = new GenericHandler<Interface2>(obj2);
92  foo->func1();
93  dynamic_cast<IGeneric2*>(++++foo)->func3();
94}

執行結果

Class1's func1
Class1's func2
Class2's func1
Class2's func3

由於分成Interface1和Interface2，所以GenericHandler的Interface也分成Generic1和Generic2。因為func1()為IGeneric1和IGeneric2共用，所以向上提升到IGenericBase，如此設計有兩個好處：
1.GenericHandler有IGenericBase這個最上層的interface，因此可以配合眾多creational pattern合作。
2.要使用func2()時必須明確轉型成IGeneric1，要使用func3()時必須明確轉型成IGeneric2，如此可避免client誤用而導致run-time error。

若用ISO C++實做，89行和93行非常tricky。

dynamic_cast < IGeneric1 *> ( ++ foo) -> func2();

dynamic_cast < IGeneric2 *> ( ++++ foo) -> func3();

為什麼要++foo和++++foo呢?
因為在87行

IGenericBase *  foo  =   new  GenericHandler < Interface1 > (obj1);

foo是一個指向IGenericBase的pointer，若要casting成指向IGeneric1的pointer，其中有offset存在，所以必須++foo，若要指向IGeneric2，其offset是++++foo，詳細原理在Stanley B. Lippman的大作Inside the C++ Object Model有解釋。

C#

/**/ /* 
(C) OOMusou 2007 http://oomusou.cnblogs.com

Filename    : Generics_SupportMultiInterface2.cs
Compiler    : Visual Studio 2005 / C# 2.0
Description : Demo how to support multiple interface in Generics
Release     : 06/17/2007 1.0
*/
using  System;

public   interface  InterfaceBase  {
  void func1();
}

public   interface  Interface1 : InterfaceBase  {
  void func2();
}

public   interface  Interface2 : InterfaceBase  {
  void func3();
}

public   class  Class1 : Interface1  {
  public void func1() {
    Console.WriteLine("Class1's func1");
  }

  public void func2() {
    Console.WriteLine("Class1's func2");
  }
}

public   class  Class2 : Interface2  {
  public void func1() {
    Console.WriteLine("Class2's func1");
  }

  public void func3() {
    Console.WriteLine("Class2's func3");
  }
}

public   interface  IGenericBase  {
  void func1();
}

public   interface  IGeneric1 : IGenericBase  {
  void func2();
}

public   interface  IGeneric2 : IGenericBase  {
  void func3();
}

public   class  GenericHandler < T >  : IGenericBase, IGeneric1, IGeneric2 where T : InterfaceBase  {
  private T _aClass;

  public GenericHandler(T aClass) {
    _aClass = aClass;
  }

  public void func1() {
    _aClass.func1();
  }
  
  void IGeneric1.func2() {
    ((Interface1)_aClass).func2();
  }
  
  void IGeneric2.func3() {
    ((Interface2)_aClass).func3();
  }
}

public   class  main  {
  public static void Main() {
    Interface1 obj1 = new Class1();
    Interface2 obj2 = new Class2();

    IGenericBase foo = new GenericHandler<Interface1>(obj1);
    foo.func1();
    ((IGeneric1)foo).func2();
    
    foo = new GenericHandler<Interface2>(obj2);
    foo.func1();
    ((IGeneric2)foo).func3();
  }
}

執行結果

Class1's func1
Class1's func2
Class2's func1
Class2's func3

和ISO C++的想法相同，但C#在casting方面就不需考慮offset的問題，且僅使用了C-style的casting。

C++/CLI
使用template

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2006 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : Template_SupportMutipleInterface2.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / C++/CLI
 6Description : Demo how to support multiple interface in Generics
 7Release     : 06/18/2007 1.0
 8*/
 9 #include  " stdafx.h "
10
11 using   namespace  System;
12
13 public   interface   class  Interface1  {
14  void func1();
15  void func2();
16} ;
17
18 public   interface   class  Interface2  {
19  void func1();
20  void func3();
21} ;
22
23 public   ref   class  Class1 :  public  Interface1  {
24public:
25  virtual void func1() {
26    Console::WriteLine("Class1's func1");
27  }
28  
29  virtual void func2() {
30    Console::WriteLine("Class1's func2");
31  }
32} ;
33
34 public   ref   class  Class2 :  public  Interface2  {
35public:
36  virtual void func1() {
37    Console::WriteLine("Class2's func1");
38  }
39  
40  virtual void func3() {
41    Console::WriteLine("Class2's func3");
42  }
43} ;
44
45 public   interface   class  IGenericBase  {
46  void func1();
47} ;
48
49 public   interface   class  IGeneric1 :  public  IGenericBase  {
50  void func2();
51} ;
52
53 public   interface   class  IGeneric2 :  public  IGenericBase  {
54  void func3();
55} ;
56
57 template < typename T >
58 public   ref   class  GenericHandler : IGenericBase, IGeneric1, IGeneric2  {
59private:
60  T^ _aClass;
61
62public:
63  GenericHandler(T^ aClass) {
64    _aClass = aClass;
65  }
66
67  virtual void func1() {
68    _aClass->func1();
69  }
70  
71  virtual void func2() = IGeneric1::func2 {
72    safe_cast<Interface1^>(_aClass)->func2();
73  }
74  
75  virtual void func3() = IGeneric2::func3 {
76    safe_cast<Interface2^>(_aClass)->func3();
77  }
78} ;
79
80 int  main()  {
81  Interface1^ obj1 = gcnew Class1;
82  Interface2^ obj2 = gcnew Class2;
83  
84  IGenericBase^ foo = gcnew GenericHandler<Interface1>(obj1);
85  foo->func1();
86  safe_cast<IGeneric1^>(foo)->func2();
87  
88  foo = gcnew GenericHandler<Interface2>(obj2);
89  foo->func1();
90  safe_cast<IGeneric2^>(foo)->func3();
91}

執行結果

Class1's func1
Class1's func2
Class2's func1
Class2's func3

想法也和ISO C++和C#相同，不過在語法細節上，C++/CLI在casting和explicit interface implementation上和ISO C++與C#不同。

1.casting
72行

safe_cast < Interface1 ^> (_aClass) -> func2();

ISO C++在casting上有const_cast，dynamic_cast，reinterpret_cast和static_cast，在C++/CLI仍然可用，除此之外，C++/CLI另外提出了safe_cast，專門應付managed部分。

2.explicit interface implementation
71行

virtual   void  func2()  =  IGeneric1::func2  {

就是C#的

void  IGeneric1.func2()  {

ISO C++並沒有這樣的語法，這是.NET CLI規格新加上去的。

使用generics

 1 /**/ /* 
 2(C) OOMusou 2006 http://oomusou.cnblogs.com
 3
 4Filename    : Generic_SupportMutipleInterface2.cpp
 5Compiler    : Visual C++ 8.0 / C++/CLI
 6Description : Demo how to support multiple interface in Generics
 7Release     : 06/16/2007 1.0
 8*/
 9 #include  " stdafx.h "
10
11 using   namespace  System;
12
13 public   interface   class  InterfaceBase  {
14  void func1();
15} ;
16
17 public   interface   class  Interface1 : InterfaceBase  {
18  void func2();
19} ;
20
21 public   interface   class  Interface2 : InterfaceBase  {
22  void func3();
23} ;
24
25 public   ref   class  Class1 :  public  Interface1  {
26public:
27  virtual void func1() {
28    Console::WriteLine("Class1's func1");
29  }
30  
31  virtual void func2() {
32    Console::WriteLine("Class1's func2");
33  }
34} ;
35
36 public   ref   class  Class2 :  public  Interface2  {
37public:
38  virtual void func1() {
39    Console::WriteLine("Class2's func1");
40  }
41  
42  virtual void func3() {
43    Console::WriteLine("Class2's func3");
44  }
45} ;
46
47 public   interface   class  IGenericBase  {
48  void func1();
49} ;
50
51 public   interface   class  IGeneric1 :  public  IGenericBase  {
52  void func2();
53} ;
54
55 public   interface   class  IGeneric2 :  public  IGenericBase  {
56  void func3();
57} ;
58
59 generic < typename T >  
60   where T : InterfaceBase
61 public   ref   class  GenericHandler : IGenericBase, IGeneric1, IGeneric2  {
62private:
63  T _aClass;
64  
65public:
66  GenericHandler(T aClass) {
67    _aClass = aClass;
68  }
69
70  virtual void func1() {
71    _aClass->func1();
72  }
73  
74  virtual void func2() = IGeneric1::func2 {
75    safe_cast<Interface1^>(_aClass)->func2();
76  }
77  
78  virtual void func3() = IGeneric2::func3 {
79    safe_cast<Interface2^>(_aClass)->func3();
80  }
81} ;
82
83 int  main()  {
84  Interface1^ obj1 = gcnew Class1;
85  Interface2^ obj2 = gcnew Class2;
86  
87  IGenericBase^ foo = gcnew GenericHandler<Interface1^>(obj1);
88  foo->func1();
89  safe_cast<IGeneric1^>(foo)->func2();
90  
91  foo = gcnew GenericHandler<Interface2^>(obj2);
92  foo->func1();
93  safe_cast<IGeneric2^>(foo)->func3();
94}

C++/CLI若使用generics寫，其實在此範例看不出template和generics的差異，唯一就是在generics需要constraints。

Conclusion
經過幾天的折騰，總算找出了還算滿意的方式，尤其是ISO C++的offset和C++/CLI的explicit interface implementation讓我印象深刻，另外一個遺憾的是，似乎沒用到什麼Design Pattern，只是憑直覺去思考，若有任何建議都非常歡迎。