C++ `std::any`/`std::variant`的Type Erasure实现：内存布局与类型安全访问

C++ std::any/std::variant 的 Type Erasure 实现：内存布局与类型安全访问

大家好，今天我们来深入探讨 C++ 中 std::any 和 std::variant 的 Type Erasure 实现，重点关注它们的内存布局以及如何进行类型安全的访问。Type Erasure 是一种强大的技术，它允许我们在运行时处理不同类型的数据，而无需在编译时知道确切的类型。这对于实现泛型容器、插件系统和其他需要动态类型的场景非常有用。

1. Type Erasure 的基本概念

Type Erasure 的核心思想是将类型信息从编译时推迟到运行时。这通常通过以下步骤来实现：

• 定义一个抽象接口: 该接口定义了我们可以对存储的类型执行的操作。
• 创建一个类型持有者: 该持有者负责存储实际的数据，并实现抽象接口。
• 使用一个通用包装器: 该包装器持有类型持有者的实例，并提供一个通用的接口供用户使用。

这样，用户只需要与通用包装器交互，而无需知道底层存储的具体类型。编译器只需要知道通用包装器的类型，类型检查被推迟到运行时。

2. std::any 的实现细节

std::any 是 C++17 中引入的一个类，它可以存储任何类型的值。其内部实现使用 Type Erasure 技术。

2.1 内存布局

std::any 的内存布局通常包含以下几个部分：

• 类型信息: 用于在运行时识别存储的类型。这通常是一个 std::type_info 对象的指针或类似的东西。
• 数据存储区: 用于存储实际的数据。由于 std::any 可以存储任何类型的数据，因此数据存储区的大小必须足够大，以容纳最大的可能类型。或者，它可以包含一个指向动态分配内存的指针。
• 类型管理函数: 用于管理存储的数据的生命周期，例如构造、拷贝和析构。

一个简化的 std::any 实现可能如下所示：

#include <iostream>
#include <typeinfo>
#include <memory>

class any {
public:
    any() : content_(nullptr), type_(nullptr) {}

    template<typename T>
    any(T&& value) : type_(&typeid(T)) {
        content_ = new holder<T>(std::forward<T>(value));
    }

    any(const any& other) : type_(other.type_) {
        if (other.content_) {
            content_ = other.content_->clone();
        } else {
            content_ = nullptr;
        }
    }

    any(any&& other) noexcept : content_(other.content_), type_(other.type_) {
        other.content_ = nullptr;
        other.type_ = nullptr;
    }

    any& operator=(const any& other) {
        any temp(other);
        std::swap(content_, temp.content_);
        std::swap(type_, temp.type_);
        return *this;
    }

    any& operator=(any&& other) noexcept {
        std::swap(content_, other.content_);
        std::swap(type_, other.type_);
        return *this;
    }

    ~any() {
        delete content_;
    }

    bool has_value() const {
        return content_ != nullptr;
    }

    const std::type_info& type() const {
        return *type_;
    }

    template <typename T>
    T& any_cast() {
        if (typeid(T) != *type_) {
            throw std::bad_cast();
        }
        return static_cast<holder<T>*>(content_)->access();
    }

private:
    struct placeholder {
        virtual ~placeholder() {}
        virtual placeholder* clone() const = 0;
        virtual std::type_info const& type() const = 0;
    };

    template<typename T>
    struct holder : placeholder {
        holder(T&& value) : value_(std::forward<T>(value)) {}

        placeholder* clone() const override {
            return new holder<T>(value_);
        }

        std::type_info const& type() const override {
            return typeid(T);
        }

        T& access() { return value_; }
        const T& access() const { return value_; }

        T value_;
    };

    placeholder* content_;
    const std::type_info* type_;
};

int main() {
    any a = 10;
    std::cout << a.any_cast<int>() << std::endl;

    any b = std::string("hello");
    std::cout << b.any_cast<std::string>() << std::endl;

    any c = a;
    std::cout << c.any_cast<int>() << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中:

• content_ 指针指向一个 placeholder 对象，这个对象实际存储了数据。
• type_ 指针指向 std::type_info 对象，它保存了实际类型的信息。
• placeholder 是一个抽象基类，它定义了克隆和获取类型信息的接口。
• holder 是一个模板类，它继承自 placeholder，并实际存储了数据。

2.2 类型安全访问

为了类型安全地访问 std::any 中存储的值，我们需要使用 any_cast 函数。any_cast 函数会检查请求的类型是否与 std::any 中存储的类型匹配。如果匹配，它会返回一个指向存储值的指针或引用。如果不匹配，它会抛出一个 std::bad_cast 异常。

在上面的例子中，any_cast<int>() 会检查 any 对象是否存储了一个 int 类型的值。如果是，它会返回一个指向 int 值的引用。否则，它会抛出一个 std::bad_cast 异常。

2.3 性能考虑

std::any 的一个主要缺点是它的性能开销。由于类型信息是在运行时确定的，因此 any_cast 函数需要进行运行时类型检查。此外，如果数据存储区的大小不足以容纳实际的数据，则需要进行动态内存分配，这也会增加性能开销。

操作	性能影响
构造	如果类型小，可能直接在 any 对象内部存储；否则，需要动态分配内存。
拷贝/赋值	需要复制类型信息和数据。如果数据是动态分配的，还需要进行深拷贝。
any_cast	需要进行运行时类型检查。如果类型不匹配，抛出异常。
析构	如果数据是动态分配的，需要释放内存。

3. std::variant 的实现细节

std::variant 是 C++17 中引入的另一个类，它可以存储一组预定义的类型中的任何一个。与 std::any 相比，std::variant 提供了更好的类型安全性和性能。

3.1 内存布局

std::variant 的内存布局通常包含以下几个部分：

• 类型索引: 用于指示当前存储的类型。这通常是一个枚举值或整数。
• 数据存储区: 用于存储实际的数据。数据存储区的大小必须足够大，以容纳所有可能的类型中的最大类型。
• 构造/析构标记: 用于标记当前存储的值是否已经被构造。

一个简化的 std::variant 实现可能如下所示：

#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <utility>

template <typename... Types>
class variant {
public:
    using index_type = std::size_t;

    variant() : index_(0) {
        static_assert(sizeof...(Types) > 0, "Variant must have at least one type.");
        new (&storage_) std::decay_t<std::tuple_element_t<0, std::tuple<Types...>>>();
    }

    template <typename T, typename = std::enable_if_t<(... && std::is_convertible_v<T, Types>)>>
    variant(T&& value) : index_(find_index<std::decay_t<T>>()) {
        new (&storage_) std::decay_t<std::remove_cvref_t<T>>(std::forward<T>(value));
    }

    variant(const variant& other) : index_(other.index_) {
        copy_construct(other);
    }

    variant(variant&& other) noexcept : index_(other.index_) {
        move_construct(std::move(other));
    }

    variant& operator=(const variant& other) {
        if (this == &other) {
            return *this;
        }
        destroy_current();
        index_ = other.index_;
        copy_construct(other);
        return *this;
    }

    variant& operator=(variant&& other) noexcept {
        destroy_current();
        index_ = other.index_;
        move_construct(std::move(other));
        return *this;
    }

    ~variant() {
        destroy_current();
    }

    index_type index() const {
        return index_;
    }

    template <typename T>
    T& get() {
        constexpr index_type target_index = find_index<T>();
        if (index_ != target_index) {
            throw std::bad_variant_access();
        }
        return std::get<target_index>(reinterpret_cast<std::tuple<Types...>&>(storage_));
    }

private:
    template <typename T>
    constexpr index_type find_index() const {
        constexpr index_type N = sizeof...(Types);
        constexpr auto find_index_helper = []<std::size_t... I>(std::index_sequence<I...>) constexpr {
            return (std::conditional_t<(std::is_same_v<T, std::decay_t<std::tuple_element_t<I, std::tuple<Types...>>>>), std::integral_constant<index_type, I>, std::integral_constant<index_type, N>>{});
        };
        constexpr auto result = find_index_helper(std::make_index_sequence<N>{});
        static_assert(result.value != N, "Type not found in variant");
        return result.value;
    }

    void copy_construct(const variant& other) {
        using visitor_type = void (*)(void*, const void*);
        constexpr visitor_type visitors[] = {
            [] (void* dest, const void* src) { new (dest) std::decay_t<std::tuple_element_t<0, std::tuple<Types...>>>(*reinterpret_cast<const std::decay_t<std::tuple_element_t<0, std::tuple<Types...>>>*>(src)); },
            [] (void* dest, const void* src) { new (dest) std::decay_t<std::tuple_element_t<1, std::tuple<Types...>>>(*reinterpret_cast<const std::decay_t<std::tuple_element_t<1, std::tuple<Types...>>>*>(src)); },
           // 添加更多 lambda 表达式以支持更多的类型
        };

        if constexpr (sizeof...(Types) > 0)
        {
            visitors[other.index_](&storage_, &other.storage_);
        }
    }

    void move_construct(variant&& other) noexcept {
        using visitor_type = void (*)(void*, void*);
        constexpr visitor_type visitors[] = {
            [] (void* dest, void* src) { new (dest) std::decay_t<std::tuple_element_t<0, std::tuple<Types...>>>(std::move(*reinterpret_cast<std::decay_t<std::tuple_element_t<0, std::tuple<Types...>>>*>(src))); },
            [] (void* dest, void* src) { new (dest) std::decay_t<std::tuple_element_t<1, std::tuple<Types...>>>(std::move(*reinterpret_cast<std::decay_t<std::tuple_element_t<1, std::tuple<Types...>>>*>(src))); },
            // 添加更多 lambda 表达式以支持更多的类型
        };

        if constexpr (sizeof...(Types) > 0)
        {
             visitors[other.index_](&storage_, &other.storage_);
        }
        other.index_ = 0;
    }

    void destroy_current() {
        using visitor_type = void (*)(void*);
        constexpr visitor_type destructors[] = {
            [] (void* ptr) { reinterpret_cast<std::decay_t<std::tuple_element_t<0, std::tuple<Types...>>>*>(ptr)->~basic_string<char>(); },
            [] (void* ptr) { reinterpret_cast<std::decay_t<std::tuple_element_t<1, std::tuple<Types...>>>*>(ptr)->~basic_string<char>(); },
            // 添加更多 lambda 表达式以支持更多的类型
        };
        if constexpr (sizeof...(Types) > 0)
        {
            destructors[index_](&storage_);
        }

    }

private:
    index_type index_;
    alignas(Types...) unsigned char storage_[std::max({sizeof(Types)...})];
};

int main() {
    variant<int, std::string> v = 10;
    std::cout << v.get<int>() << std::endl;

    v = std::string("hello");
    std::cout << v.get<std::string>() << std::endl;

    try {
        std::cout << v.get<int>() << std::endl; // 抛出异常
    } catch (const std::bad_variant_access& e) {
        std::cerr << "Caught exception: " << e.what() << std::endl;
    }

    return 0;
}

在这个例子中:

• index_ 成员指示当前存储的类型在模板参数列表中的索引。
• storage_ 成员是一个 unsigned char 数组，它的大小足以容纳所有可能的类型。alignas 确保了它满足所有类型的对齐要求。
• get<T>() 函数用于获取存储的值。它会检查请求的类型是否与当前存储的类型匹配。如果匹配，它会返回一个指向存储值的引用。如果不匹配，它会抛出一个 std::bad_variant_access 异常。

3.2 类型安全访问

为了类型安全地访问 std::variant 中存储的值，我们可以使用以下方法：

• std::get<T>(): 如上例所示，直接获取特定类型的值。如果 variant 当前没有存储该类型的值，则会抛出 std::bad_variant_access 异常。
• std::get_if<T>(): 返回一个指向 variant 中存储的 T 值的指针，如果 variant 当前没有存储该类型的值，则返回 nullptr。
• std::visit(): 使用一个 visitor 函数来处理 variant 中存储的值。visitor 函数是一个重载的函数对象，它为 variant 中存储的每种类型提供一个重载。

#include <variant>
#include <iostream>

int main() {
    std::variant<int, double, std::string> v = 10;

    if (auto pval = std::get_if<int>(&v)) {
        std::cout << "The value is an int: " << *pval << std::endl;
    }

    v = "hello";

    std::visit([](auto&& arg) {
        using T = std::decay_t<decltype(arg)>;
        if constexpr (std::is_same_v<T, int>) {
            std::cout << "The value is an int: " << arg << std::endl;
        } else if constexpr (std::is_same_v<T, double>) {
            std::cout << "The value is a double: " << arg << std::endl;
        } else if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>) {
            std::cout << "The value is a string: " << arg << std::endl;
        }
    }, v);

    return 0;
}

3.3 性能考虑

与 std::any 相比，std::variant 具有更好的性能。由于 std::variant 只能存储一组预定义的类型，因此编译器可以在编译时生成更优化的代码。此外，std::variant 不需要进行动态内存分配，除非其中包含需要动态分配内存的类型（例如 std::string）。

操作	性能影响
构造	直接在 variant 对象内部存储，无需动态分配内存 (除非包含需要动态分配的类型)。
拷贝/赋值	需要复制类型信息和数据。
get<T>	需要进行运行时类型检查，但比 std::any 的 any_cast 更快，因为类型集合是预定义的。
visit	编译器可以优化 visitor 函数的调用。
析构	调用存储类型的析构函数。

4. std::any vs std::variant

std::any 和 std::variant 都是用于存储不同类型的值的工具，但它们之间存在一些关键的区别：

特性	std::any	std::variant
类型限制	可以存储任何类型的值。	只能存储一组预定义的类型中的任何一个。
类型安全	需要使用 any_cast 进行运行时类型检查。如果类型不匹配，会抛出异常。	可以使用 get<T>、get_if<T> 或 visit 进行类型安全的访问。如果类型不匹配，会抛出异常或返回 nullptr。
性能	相对较慢，因为需要进行动态内存分配和运行时类型检查。	相对较快，因为类型集合是预定义的，编译器可以进行优化。
用途	适用于需要在运行时处理未知类型的场景，例如插件系统。	适用于需要在编译时知道所有可能类型的场景，例如状态机。

何时使用 std::any:

• 当需要在运行时存储和处理任意类型的值，并且无法在编译时确定所有可能的类型时。
• 当性能不是首要考虑因素时。

何时使用 std::variant:

• 当需要在编译时知道所有可能的类型，并且需要类型安全和性能时。
• 当需要表示一组互斥的状态时。

5. 进一步的优化方向

无论是 std::any 还是 std::variant 的实现，都有进一步优化的空间。 例如：

• Small Object Optimization (SOO): 对于 std::any，如果存储的类型足够小，可以避免动态内存分配，直接在 any 对象内部存储数据。std::variant 已经利用了这个特性。
• Branch Prediction: 对于 std::variant，可以使用 Branch Prediction 技术来优化 visit 函数的调用。
• Custom Allocators: 使用自定义的内存分配器可以提高 std::any 的性能，特别是当需要频繁地分配和释放内存时。

选择正确的工具

std::any 和 std::variant 都是 C++ 中强大的工具，可以帮助我们编写更灵活和可重用的代码。选择哪种工具取决于具体的应用场景和需求。std::any 提供了最大的灵活性，但性能开销也较高。std::variant 提供了更好的类型安全性和性能，但只能存储一组预定义的类型。 仔细衡量灵活性，安全性和性能，是做出正确选择的关键。

更多IT精英技术系列讲座，到智猿学院