如何在不使用指针的情况下实现基于引用的AST构建函数？

算力阿峰

2026-8-11

问题

我有一个采用访问者模式的抽象语法树（AST）类，所有构造函数与visit函数均接收抽象节点ASTNode或其派生类的引用，相关类定义如下：

class ASTNode {
public:
    virtual void accept(ASTVisitor& visitor) = 0;
};

class NameNode : public ASTNode {
public:
    NameNode(std::string name) : name(name) { }

    void accept(ASTVisitor& visitor) override;
    
    std::string name;
};

class ListNode : public ASTNode { 
public:
    ListNode(ElementSptr list) :  list(list) { }

    void accept(ASTVisitor& visitor) override;

    ElementSptr list;
};


class BinaryOperator : public ASTNode {
public:
    BinaryOperator(std::string kind, ASTNode& left, ASTNode& right)
    : kind(kind), left(left), right(right) { }

    void accept(ASTVisitor& visitor) override;

    std::string kind;
    ASTNode& left;
    ASTNode& right;
};

class ASTVisitor {
    public:
    virtual void visit(ASTNode& node) = 0;
    virtual void visit(NameNode& name) = 0;
    virtual void visit(ListNode& list) = 0;
    virtual void visit(BinaryOperator& bOp) = 0;
    virtual void visit(UnaryOperator& uOp) = 0;
};

我通过独立的TreeBuilder类实现树的构建，其buildTree函数如下：

ASTNode& TreeBuilder::buildTree(std::string expression){
    std::vector<std::string> tokens = split(expression);
    std::deque<ASTNode&> nodeStack;;
    std::deque<std::string> operatorStack;

    ASTNode root;
    ASTNode& left;
    ASTNode& right;

//generates tree from tokens 
 
return root;


}

由于ASTNode是抽象类，无法直接实例化；定义引用时又提示需初始化。使用指针可解决该问题，但现有树结构依赖引用，无法兼容指针实现。请问是否存在不使用指针即可实现该函数的方法？该函数需返回根节点，供调用类操作其子节点。

解决方案

不使用裸指针的前提下，可通过以下几种方式解决问题：

用智能指针管理节点生命周期，对外返回引用
在TreeBuilder内部用std::unique_ptr或std::shared_ptr存储AST节点，确保对象生命周期覆盖调用方使用引用的周期。比如将智能指针存入TreeBuilder的成员变量，构建节点时：
```
std::unique_ptr<BinaryOperator> bop = std::make_unique<BinaryOperator>("+", *leftNodeRef, *rightNodeRef);
auto& rootRef = *bop;
this->nodeStorage.push_back(std::move(bop));
```
最后返回rootRef即可，只要nodeStorage的生命周期足够长，引用就始终有效。
利用std::variant存储具体节点类型
定义变体类型统一存储所有AST节点的具体实例：
```
using ASTNodeVariant = std::variant<NameNode, ListNode, BinaryOperator>;
```
将TreeBuilder中的nodeStack替换为std::deque<ASTNodeVariant>，构建节点时直接创建具体类型的实例存入变体，后续通过std::get取出引用传递给构造函数。这种方式能在栈或容器中管理节点，避免直接使用指针，但需注意变体的生命周期要覆盖引用的使用周期。
实现AST节点对象池
创建一个对象池类负责在堆上创建并管理AST节点的生命周期，TreeBuilder从池内获取节点引用：
```
class ASTNodePool {
public:
    template<typename T, typename... Args>
    T& create(Args&&... args) {
        auto ptr = std::make_unique<T>(std::forward<Args>(args)...);
        auto& ref = *ptr;
        nodes.push_back(std::move(ptr));
        return ref;
    }
private:
    std::vector<std::unique_ptr<ASTNode>> nodes;
};
```
在TreeBuilder中持有ASTNodePool实例，构建节点时调用pool.create<BinaryOperator>(...)获取引用，返回的根节点引用也来自池，只要池的生命周期足够长，引用就有效。

核心注意点：引用必须绑定到生命周期足够长的对象上，不能绑定到临时对象或会被提前销毁的栈对象。无论采用哪种方式，都要确保调用方使用根节点及其子节点引用期间，对应的对象不会被销毁。

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