第10章：Visitor

为什么一次 virtual call 不够

Visitor Basics 解决“操作取决于两个动态类型”：一边是 Shape* 实际指向 Circle/Polygon，另一边是 Serialize/Render/Validate operation。C++ virtual dispatch 默认只按 receiver 的动态类型选择；function overload 按参数静态类型选择。

struct Circle;
struct Polygon;
 
struct Visitor {
    virtual void visit(Circle&) = 0;
    virtual void visit(Polygon&) = 0;
    virtual ~Visitor() = default;
};
 
struct Shape {
    virtual void accept(Visitor&) = 0;
    virtual ~Shape() = default;
};
 
struct Circle : Shape {
    void accept(Visitor& v) override { v.visit(*this); }
};

第一次 dispatch 由 shape->accept 找到 Circle::accept，此时 *this 的静态类型已是 Circle&；第二次 v.visit(Circle&) 才选择 operation 的 Circle overload。所谓 double dispatch 是两次 single dispatch 的协议组合。

Visitor 的适用扩展方向

Visitor 把 operation 从 element classes 中抽出，新增 operation 只需新 Visitor；但新增 element 要给 Visitor base 增 virtual method，并修改所有 concrete visitors。它适合 element hierarchy 稳定、operations 经常增加的编译器 AST、document tree、scene graph。

若 elements 频繁由 plugins 增加，classic Visitor 会形成 versioning bottleneck；variant + std::visit、type-erased callbacks、multimethod registry 或 virtual methods 可能更合适。Pattern 选择必须匹配变化轴。

Overloading：The Catch-All Function

Overloading: The Catch-All Function 为未列出的 element 提供 fallback，例如 visit(Base&) 或 template catch-all。由于 overload resolution 发生在 concrete accept 中，exact visit(Circle&) 比 base fallback 更优。

struct LoggingVisitor : Visitor {
    using Visitor::visit;
    void visit(Shape& unknown) { log(unknown.typeName()); }
    void visit(Circle& circle) override { log(circle.radius()); }
};

现实中 base Visitor 若只声明 pure exact overload，derived 新增 catch-all 不会自动满足它们；需要 interface 设计支持 fallback，或每个 exact overload default-forward 到 visit(Shape&)。using 也用于防止 name hiding，让 base overload set 可见。

An Implementation Refinement：The Acyclic Visitor

Classic Visitor interface 引用所有 concrete elements，形成 dependency cycle：Visitor knows Circle/Polygon，Circle/Polygon 又知道 Visitor。新增 element 改动 root interface 与所有 operations。The Acyclic Visitor 将每种 element 的访问协议拆成独立 Visitor<T> interface。

struct BaseVisitor { virtual ~BaseVisitor() = default; };
 
template<class T>
struct VisitorFor {
    virtual void visit(T&) = 0;
};
 
struct Circle : Shape {
    void accept(BaseVisitor& base) override {
        if (auto* visitor = dynamic_cast<VisitorFor<Circle>*>(&base)) {
            visitor->visit(*this);
        } else {
            onUnsupported(base);
        }
    }
};
 
struct Render : BaseVisitor, VisitorFor<Circle>, VisitorFor<Polygon> {
    void visit(Circle&) override;
    void visit(Polygon&) override;
};

new element 只定义新的 VisitorFor<New>，已有 operations 不必重编译/实现；operation 也可只支持 subset。代价是每次 accept dynamic_cast，unsupported path 变成 runtime policy，interface inheritance 与 RTTI 增加复杂度。

A Generic Implementation of Visitor

A Generic Implementation of Visitor 用 Typelist 生成 visitor interfaces，避免手写每个 overload。GenScatterHierarchy<TList, VisitorUnit> 生成并列 Visit(T&) units；acyclic 版本可让 operation 从所需 units 继承，cyclic 版本由完整 list 生成 root。

template<class T, class R>
struct VisitorUnit {
    virtual R visit(T&) = 0;
};
 
template<class R, class ElementList>
using GeneratedVisitor =
    GenScatterHierarchy<ElementList, BindSecond<VisitorUnit, R>::template Type>;

真实模板需要把 R 绑定进 Unit，并为 virtual destructor、const element、reference/pointer 和 default behavior 定义协议。Product list duplicate 会生成 ambiguous bases；return type 不同的 operations 也不能共用同一个 root type without erasure/template parameterization。

generic generation 减少 declaration drift，却没有消除 closed-world assumption：改变 typelist 仍改变 root layout/vtable，并要求 visitors 重新匹配。它自动化 boilerplate，不改变扩展方向。

Back to the “Cyclic” Visitor

官方的 Back to the “Cyclic” Visitor 是在看清 Acyclic trade-off 后重新评估 classic structure。若 element set 确实稳定、每次 traversal 很热、所有 operations 本就应覆盖全部 elements，direct cyclic Visitor 的 virtual overload 更快、更容易静态审计 completeness。

“cyclic”描述 dependency graph，不表示 object ownership cycle。forward declarations 和分离 header 可控制 include cycle；ABI/versioning 才是公开 visitor interface 的主要问题。跨 plugin boundary 添加 virtual method 会改变 vtable，不应无版本升级直接部署。

Hooking Variations

Hooking Variations 包括返回值、constness、默认处理、停止 traversal、状态与异常：

• Visitor<R> 让 Visit 返回统一 R；不同 element 返回不同类型则需 variant/type erasure。
• visit(const T&) 表示只读，mutation visitor 接 T&；不要用 const_cast 复用。
• catch-all 可 no-op、throw、log 或 delegate base behavior。
• traversal 可由 elements 控制（internal visitor）或 operation 控制（external traversal）。

返回引用需要 lifetime；聚合结果通常保存在 visitor state 或 reducer。异常中止 traversal 时，partially mutated elements 的 consistency 要由 operation 定义。若需要可恢复 transaction，Visitor 只负责 dispatch，rollback/command 协议另建。

Visitor Generic Component Quick Facts

Visitor Generic Component Quick Facts：

• double dispatch 由 Accept + Visit 两次 virtual calls 组成；overload alone 不是动态多分派。
• cyclic Visitor 对稳定 element set/新增 operations 友好；acyclic 对新增 elements/subset operations 更宽松。
• generic typelist generation 减少重复并检查 coverage，但 root 仍依赖 element schema。
• catch-all、return type、constness 与 traversal 必须在 component contract 中固定。

与 variant 和 pattern matching 比较

std::variant<Circle,Polygon> + std::visit 把 element set封闭在 variant type，operation 是 overloaded callable，编译器可检查所有 alternatives，常能 inline；但 recursive/open hierarchy 与 stable ABI 不一定适合。virtual Visitor 对对象 identity、subclass hierarchy 与 separate allocation 更自然。

先预测：AST node types 固定在一个 compiler release，optimization passes 经常增加，classic/generated cyclic Visitor 合适；若 third-party plugins 每月新增 node type，所有旧 passes 不可能知道它，acyclic/default registry 更符合 evolution。

小结

• Visitor 用 Element::Accept 与 Visitor::Visit 两次 single dispatch 实现 element + operation 双分派
• catch-all 必须进入有效 overload/virtual protocol，function template 本身不能 virtual
• Acyclic Visitor 将每种 element 协议拆开，降低全量依赖，代价是 RTTI 与 unsupported runtime path
• Typelist-generated generic Visitor 自动生成 overload units，但仍由 closed element schema 决定 root interface
• cyclic Visitor 对稳定 elements、频繁新增 operations 与 hot traversal 仍可能是最佳选择
• result、const、fallback、traversal ownership 和 exception 是 Hooking Variations 的正式 contract
• variant/std::visit 提供 closed sum type 的编译期访问；开放 hierarchy 与 ABI 需求可能更适合 virtual Visitor

名词解释

原版目录概念补充核对

以下条目补齐官方目录中容易被示例主线掩盖的概念。它们不重复罗列目录，而是明确每项概念的机制、适用边界和验收证据。

Visitor generic component quick facts：机制、边界与证据

在《第10章：Visitor》的官方单元 mcd-10 中，Visitor generic component quick facts连接本章第 5 组知识约束。学习时要同时说明它接受什么输入、改变什么状态、在何种边界失效；再以本章示例的编译诊断、固定输入输出或失败用例复核结论，不能只记术语名称。