C++ `std::variant` (C++17) 的内部实现与编译期优化

哈喽，各位好！今天咱们来聊聊C++17引入的 std::variant，这玩意儿看似简单，实际上内部实现和编译期优化可玩性很高。咱们争取用最接地气的方式，把它扒个精光，让大家以后用起来心里更有数。

一、std::variant：多面手，还是百变怪？

首先，std::variant 是个啥？简单来说，它就是一个可以容纳多种不同类型值的容器。有点像 union，但比 union 安全多了，也智能多了。

举个例子：

#include <variant>
#include <string>
#include <iostream>

int main() {
  std::variant<int, double, std::string> myVar;

  myVar = 10; // 现在 myVar 存的是 int 类型的值 10
  std::cout << "Value: " << std::get<0>(myVar) << std::endl;

  myVar = 3.14; // 现在 myVar 存的是 double 类型的值 3.14
  std::cout << "Value: " << std::get<1>(myVar) << std::endl;

  myVar = "Hello, Variant!"; // 现在 myVar 存的是 string 类型的值
  std::cout << "Value: " << std::get<2>(myVar) << std::endl;

  return 0;
}

这段代码展示了 std::variant 如何存储不同类型的值。注意 std::get<index>(myVar) 的用法，它用来访问 variant 中存储的特定类型的值。index 是类型在 variant 定义中的索引位置（从0开始）。

二、variant 的内部构造：房间是怎么分配的？

std::variant 的核心思想是：

存储空间： 它会分配足够的空间来存储所有可能类型中最大的那个。
类型信息： 它内部会维护一个成员来记录当前存储的是哪种类型。
构造/析构： 它会负责正确地构造和析构当前存储的对象。

咱们简化一下，用伪代码来模拟一下 variant 的内部结构：

template <typename... Types>
class Variant {
private:
  std::aligned_storage_t<sizeof(LargestType<Types...>)> data; // 存储空间
  std::uint8_t index; // 记录当前存储的类型索引

  // 辅助类型，用来找到最大的类型
  template <typename T, typename U>
  struct MaxType {
    using type = typename std::conditional<(sizeof(T) >= sizeof(U)), T, U>::type;
  };

  template <typename T>
  struct LargestType {
    using type = T;
  };

  template <typename T, typename U, typename... Rest>
  struct LargestType {
    using type = typename LargestType<typename MaxType<T, U>::type, Rest...>::type;
  };

public:
  // 构造函数，析构函数，赋值运算符等等...
};

std::aligned_storage_t：这个家伙是标准库提供的，它可以分配一块足够大的、对齐的内存，但不会调用任何构造函数。这块内存就用来存储 variant 的值。
index：这个变量记录了当前 variant 存储的是 Types... 中的哪一个类型。
LargestType：用于在编译期计算出所有类型中占用空间最大的那个类型，从而确定 data 成员的大小。

三、variant 的操作：如何存，如何取？

赋值： 当你给 variant 赋值时，它会先析构当前存储的对象（如果存在的话），然后使用 placement new 在 data 内存区域中构造新的对象，并更新 index。
访问： std::get<index>(myVar) 会检查 index 是否与当前存储的类型匹配，如果匹配，就返回指向 data 内存区域中对应类型对象的指针/引用。如果不匹配，就抛出 std::bad_variant_access 异常。

咱们再用伪代码模拟一下赋值和访问操作：

template <typename... Types>
class Variant {
  // ... (前面定义的成员)

public:
  template <typename T>
  Variant& operator=(T&& value) {
    // 找到 T 在 Types... 中的索引
    constexpr size_t index_of_T = /* ... （编译期计算 T 的索引）...*/;

    // 析构当前对象 (如果存在)
    if (this->index != -1) {
      DestructCurrentObject(); // 后面会定义
    }

    // 在 data 中构造新的对象
    new (&data) std::decay_t<T>(std::forward<T>(value)); // placement new

    // 更新 index
    this->index = index_of_T;

    return *this;
  }

  template <size_t Index>
  typename std::tuple_element<Index, std::tuple<Types...>>::type& get() {
    if (index != Index) {
      throw std::bad_variant_access();
    }
    return *reinterpret_cast<typename std::tuple_element<Index, std::tuple<Types...>>::type*>(&data);
  }

private:
  void DestructCurrentObject() {
    // 根据 index 找到当前存储的类型，然后调用析构函数
    // ... (编译期类型判断和析构)
  }
};

四、编译期优化：variant 的速度秘诀

std::variant 的性能很大程度上依赖于编译器的优化。以下是一些常见的优化手段：

内联 (Inlining)： 编译器会尽可能地将 variant 的构造、析构、访问等操作内联到调用点。这可以减少函数调用的开销。

静态分发 (Static Dispatch)： std::visit 是 variant 的一个重要特性，它允许你根据 variant 中存储的类型执行不同的操作。编译器可以通过静态分发来避免运行时的类型判断。

#include <variant>
#include <iostream>

int main() {
  std::variant<int, double, std::string> myVar = 42;

  std::visit([](auto&& arg) {
    using T = std::decay_t<decltype(arg)>;
    if constexpr (std::is_same_v<T, int>) {
      std::cout << "It's an int: " << arg << std::endl;
    } else if constexpr (std::is_same_v<T, double>) {
      std::cout << "It's a double: " << arg << std::endl;
    } else if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>) {
      std::cout << "It's a string: " << arg << std::endl;
    }
  }, myVar);

  return 0;
}

在上面的代码中，std::visit 接受一个 lambda 表达式，这个 lambda 表达式会根据 myVar 中存储的类型被调用。 if constexpr 确保类型判断发生在编译时，避免了运行时的开销。

空类优化 (Empty Base Optimization, EBO)： 如果 variant 存储的类型中包含空类，编译器可能会利用 EBO 来减少 variant 的大小。例如，如果一个类型是空的，它可以不占用任何存储空间。
分支预测 (Branch Prediction)： 虽然 variant 内部需要进行类型判断，但现代 CPU 的分支预测器可以有效地预测分支的走向，减少分支带来的性能损失。

五、std::visit：variant 的好搭档

std::visit 是一个非常强大的工具，它可以让你方便地对 variant 中存储的值进行操作，而无需手动进行类型判断。

#include <variant>
#include <string>
#include <iostream>

int main() {
  std::variant<int, double, std::string> myVar = "Hello";

  std::visit([](auto&& arg) {
    using T = std::decay_t<decltype(arg)>;
    if constexpr (std::is_same_v<T, int>) {
      std::cout << "It's an int: " << arg * 2 << std::endl;
    } else if constexpr (std::is_same_v<T, double>) {
      std::cout << "It's a double: " << arg + 1.0 << std::endl;
    } else if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>) {
      std::cout << "It's a string: " << arg + ", Variant!" << std::endl;
    }
  }, myVar);

  return 0;
}

std::visit 接受一个函数对象（例如 lambda 表达式）和一个 variant 对象。它会根据 variant 中存储的类型，调用相应的函数对象。

六、variant vs union vs any：选哪个？

特性	`std::variant`	`union`	`std::any`
类型安全	安全，编译时检查	不安全，需要手动管理类型信息	安全，运行时类型检查
存储空间	存储最大类型的大小	存储最大类型的大小	动态分配，通常比最大类型大
性能	较高，可以进行编译期优化	较高，但需要手动管理类型，容易出错	较低，运行时类型检查和动态分配带来开销
可用类型	编译时确定	编译时确定	任意类型
用途	需要存储多种类型，且类型已知的情况	需要节省空间，且对类型安全要求不高的情况	需要存储任意类型，且类型未知的情况
异常安全性	强异常安全保证（如果类型提供强异常安全保证）	需要手动管理，容易出现异常安全问题	强异常安全保证
需要 C++ 版本	C++17	C++98	C++17

std::variant：类型安全，性能较好，适合存储类型已知且有限的情况。
union：性能最高，但类型不安全，需要手动管理类型信息，容易出错。
std::any：可以存储任意类型，但性能较低，适合存储类型未知的情况。

七、使用 variant 的注意事项

异常处理： 当 variant 存储的类型抛出异常时，variant 本身也会抛出异常。需要注意异常处理，避免程序崩溃。
类型转换： variant 不会自动进行类型转换。如果需要进行类型转换，需要手动进行。
循环依赖： 避免 variant 中出现循环依赖的类型，例如 std::variant<A, B>，其中 A 包含 std::variant<A, B> 类型的成员。这会导致编译错误。
空 variant 的问题: std::variant 不能是空的。这意味着它必须始终包含其允许类型之一的值。如果所有允许的类型都是空的，则std::variant仍然需要分配一些存储空间，并会默认构造第一个类型。

八、一个稍微复杂的例子

咱们来个稍微复杂点的例子，模拟一个简单的计算器，它可以处理整数、浮点数和字符串：

#include <variant>
#include <string>
#include <iostream>
#include <vector>

// 定义一个操作符枚举
enum class Operator {
  ADD,
  SUBTRACT,
  MULTIPLY,
  DIVIDE
};

// 定义一个可以存储数值或操作符的 variant
using Token = std::variant<double, Operator, std::string>; // string 用于变量名

// 计算函数
double calculate(double a, double b, Operator op) {
  switch (op) {
    case Operator::ADD:      return a + b;
    case Operator::SUBTRACT: return a - b;
    case Operator::MULTIPLY: return a * b;
    case Operator::DIVIDE:
      if (b == 0) throw std::runtime_error("Division by zero!");
      return a / b;
    default:               throw std::runtime_error("Invalid operator!");
  }
}

int main() {
  std::vector<Token> tokens = {10.0, Operator::ADD, 5.0, Operator::MULTIPLY, 2.0};

  // 模拟简单的计算过程
  double result = std::get<double>(tokens[0]); // 假设第一个 token 是数值

  for (size_t i = 1; i < tokens.size(); i += 2) {
    Operator op = std::get<Operator>(tokens[i]);
    double nextValue = std::get<double>(tokens[i + 1]);
    result = calculate(result, nextValue, op);
  }

  std::cout << "Result: " << result << std::endl;

  return 0;
}

这个例子展示了如何使用 std::variant 来存储不同类型的 token，并使用 std::visit (虽然这里没直接用，但可以很容易地用 std::visit 替代) 来处理这些 token。

九、总结

std::variant 是 C++17 中一个非常有用的工具，它可以让你安全地存储多种不同类型的值。理解 variant 的内部实现和编译期优化，可以帮助你更好地使用它，并编写出更高效的代码。记住，类型安全很重要，但也要考虑性能，选择最适合你的方案。希望今天的讲解对大家有所帮助！

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