如何用可变模板简化状态机重复类型列表？兼谈智能指针使用

你可以通过集中管理状态类型列表，再用模板元编程自动生成States和CurrentState的别名，只需要写一次40个状态的类型：

方案1：直接用可变模板别名 #

先定义通用的模板别名，再用所有状态类型实例化：

// 通用模板：接收任意状态类型，生成带shared_ptr的tuple/variant
template<typename... StateTypes>
using States = std::tuple<std::shared_ptr<StateTypes>...>;

template<typename... StateTypes>
using CurrentState = std::variant<std::shared_ptr<StateTypes>...>;

// 只需要在这里写一次所有40个状态类型
using MyStates = States<State1, State2, State3, /* ... 直到State40 */>;
using MyCurrentState = CurrentState<State1, State2, State3, /* ... 直到State40 */>;

方案2：基于tuple的类型提取（更优雅，避免重复写类型列表） #

先把所有状态类型放到一个tuple别名里，再通过模板提取类型参数生成目标别名：

// 第一步：集中定义所有状态类型（只写一次）
using AllStateTypes = std::tuple<State1, State2, State3, /* ... 直到State40 */>;

// 第二步：模板元编程提取tuple的类型，生成带shared_ptr的版本
template<typename Tuple>
struct MakeStates;

template<typename... Ts>
struct MakeStates<std::tuple<Ts...>> {
    using Type = std::tuple<std::shared_ptr<Ts>...>;
};

template<typename Tuple>
struct MakeCurrentState;

template<typename... Ts>
struct MakeCurrentState<std::tuple<Ts...>> {
    using Type = std::variant<std::shared_ptr<Ts>...>;
};

// 最终的类型别名
using States = MakeStates<AllStateTypes>::Type;
using CurrentState = MakeCurrentState<AllStateTypes>::Type;

这种方式只需要在AllStateTypes中维护一次状态类型列表，后续的States和CurrentState会自动同步更新。

如果担心状态体积过大无法存放在栈上，使用智能指针是合理的选择，但要根据所有权场景选对类型：

• 如果结构体是这些状态的唯一所有者，优先用std::unique_ptr：它是独占式智能指针，没有引用计数的额外开销，更高效。
• 如果需要在其他地方共享状态的所有权（比如多个状态机实例共用某些状态），再用std::shared_ptr。

示例代码（用unique_ptr的情况）：

// 基于前面的方案调整模板为unique_ptr
template<typename... StateTypes>
using States = std::tuple<std::unique_ptr<StateTypes>...>;

struct StateMachine {
    States states;
    CurrentState current_state;

    // 构造时在堆上初始化所有状态
    StateMachine() 
        : states(std::make_unique<State1>(), std::make_unique<State2>(), /* ... 其他状态 */) {}
};

此时结构体StateMachine拥有所有状态的所有权，状态对象存储在堆上，栈上仅存放指针组成的tuple，不会占用过多栈空间。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者CrisPlusPlus