C++链表存储多态对象：智能指针选型、插入及多态有效性问题

我正在编写一个简单的编译器，定义了如下基类：

class Instruction
{
  public:  
    virtual std::string get_name() const = 0;
};

并创建了一个名为Compute的指令派生类：

class Compute
: public Instruction
{
  public:  
    std::string get_name() const override
    { return "Compute"; }
};

需求是用智能指针创建存储Instruction指针的std::list容器，需遍历容器调用虚函数get_name()（或execute、validate等），提出以下问题：

1. 应使用哪种智能指针？
2. 如何将该指针插入std::list？
3. 解引用该指针是否仍能触发多态？

备注：网上搜索“c++ smart pointer linked list”多是关于用智能指针链接节点的内容，此处指将智能指针作为节点的数据。
备注：“什么是智能指针及何时使用”的示例未覆盖容器中存储智能指针实现多态的场景。
目标对象的生命周期与容器或程序的生命周期一致。

问题解答 #

1. 应使用哪种智能指针？ #

推荐使用std::unique_ptr<Instruction>。因为目标对象生命周期和容器/程序一致，unique_ptr是独占式智能指针，运行开销最小，完全适配当前需求。在不需要共享对象所有权的场景下，shared_ptr的引用计数带来的额外开销没有必要。如果后续有所有权转移的需求，unique_ptr也支持移动操作。

若确实需要多个组件共享对象所有权，再考虑std::shared_ptr<Instruction>，但当前场景下unique_ptr是最优选择。

2. 如何将该指针插入std::list？ #

首先定义对应的容器类型：

// 使用unique_ptr的容器定义
std::list<std::unique_ptr<Instruction>> instruction_list;

插入元素的常用方式有两种：

• 直接创建并插入（C++14及以上支持std::make_unique）：

instruction_list.push_back(std::make_unique<Compute>());

• 先创建智能指针再移动插入：

auto compute_inst = std::make_unique<Compute>();
instruction_list.push_back(std::move(compute_inst));
// 注意：move操作后，compute_inst不再持有对象的所有权

如果选择shared_ptr，容器定义和插入方式如下：

std::list<std::shared_ptr<Instruction>> instruction_list;
instruction_list.push_back(std::make_shared<Compute>());

3. 解引用该指针是否仍能触发多态？ #

是的，完全可以触发多态。智能指针的operator*()和operator->()会返回底层对象的引用或指针，行为和原生指针完全一致。只要基类中的函数是虚函数，通过智能指针解引用后调用，就会根据实际存储的派生类对象类型，调用对应的派生类实现。

示例遍历调用代码：

for (const auto& ptr : instruction_list) {
    // 使用operator->调用虚函数
    std::cout << ptr->get_name() << std::endl;
    // 解引用后调用虚函数，效果等价
    std::cout << (*ptr).get_name() << std::endl;
}

上述代码会两次输出Compute，证明多态机制正常生效。

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