C++ `std::piecewise_construct`：C++11 构造 `std::pair` 和 `std::tuple` 的特殊标记

好的，各位朋友，欢迎来到今天的C++讲座。今天我们来聊聊一个听起来高大上，但用起来倍儿爽的东西：std::piecewise_construct。这玩意儿是C++11引入的，主要解决一个问题：如何优雅地构造 std::pair 和 std::tuple。

故事的开始：构造的烦恼

咱们先从一个简单的例子开始。假设我们要创建一个 std::pair，其中第一个元素是一个 std::string，第二个元素是一个 std::vector<int>。传统的构造方式可能是这样的：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <utility> // for std::pair

int main() {
  std::pair<std::string, std::vector<int>> my_pair("Hello", {1, 2, 3});
  std::cout << my_pair.first << std::endl;
  for (int x : my_pair.second) {
    std::cout << x << " ";
  }
  std::cout << std::endl;
  return 0;
}

这段代码没啥问题，简单直接。但是，如果构造 std::string 和 std::vector<int> 的成本很高呢？比如，它们需要调用一些复杂的构造函数，或者从文件中读取大量数据。上面的代码会先创建临时的 std::string 和 std::vector<int> 对象，然后再拷贝到 std::pair 中。这效率就有点低了。

再比如，如果 std::string 和 std::vector<int> 的构造函数需要接受一些参数，而我们又不想先创建临时对象，怎么办？直接传参数到 std::pair 的构造函数里行不行？

// 这样是不行的！
// std::pair<std::string, std::vector<int>> my_pair("Hello", 5, 10); // 假设vector有接受size和value的构造函数

上面的代码会编译错误。std::pair 的构造函数并不知道你传的 5, 10 是要用来构造 std::vector<int> 的。它只会尝试把它们当成自己的参数来处理，结果当然是失败。

std::piecewise_construct 闪亮登场

这时候，std::piecewise_construct 就该登场了。它是一个特殊的标记类型，告诉 std::pair 和 std::tuple ：“嘿，哥们，我后面传给你的参数是用来就地构造你的成员的，你可别自己瞎搞！”

使用 std::piecewise_construct 的基本语法是这样的：

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <utility> // for std::pair, std::piecewise_construct
#include <tuple> // for std::forward_as_tuple

int main() {
  // 使用 piecewise_construct 就地构造 std::string 和 std::vector<int>
  std::pair<std::string, std::vector<int>> my_pair(
      std::piecewise_construct,
      std::forward_as_tuple("Hello"), // std::string 的构造参数
      std::forward_as_tuple(5, 10));   // std::vector<int> 的构造参数 (size, value)

  std::cout << my_pair.first << std::endl;
  for (int x : my_pair.second) {
    std::cout << x << " ";
  }
  std::cout << std::endl;

  // 使用 tuple 来构造 pair
  std::pair<std::string, std::vector<int>> my_pair2(
        std::piecewise_construct,
        std::make_tuple("Hello"),
        std::make_tuple(std::vector<int>(5,10))); //必须是构造好的vector对象
  std::cout << my_pair2.first << std::endl;
  for (int x : my_pair2.second) {
    std::cout << x << " ";
  }
  std::cout << std::endl;

    // 错误示例：使用 make_tuple 构造vector参数，但vector不是构造好的对象
    // std::pair<std::string, std::vector<int>> my_pair3(
    //   std::piecewise_construct,
    //   std::make_tuple("Hello"),
    //   std::make_tuple(5, 10)); // 错误，vector必须先构造好

  return 0;
}

解释一下：

std::piecewise_construct: 这是一个标记，告诉 std::pair 使用就地构造的方式。必须放在构造函数参数列表的最前面。
std::forward_as_tuple: 这个函数很重要。它把构造 std::string 和 std::vector<int> 所需的参数打包成 std::tuple。std::forward_as_tuple 会完美转发这些参数，保留它们的值类别（左值、右值、引用等），确保构造函数能够正确调用。
构造参数: 每个 std::tuple 都对应一个成员的构造参数。std::forward_as_tuple("Hello") 表示用 "Hello" 作为参数来构造 std::string，std::forward_as_tuple(5, 10) 表示用 5 和 10 作为参数来构造 std::vector<int>。

std::piecewise_construct 的优势

避免不必要的拷贝: 使用 std::piecewise_construct 可以直接在 std::pair 或 std::tuple 的内存空间中构造成员，避免了先创建临时对象再拷贝的开销。这对于构造大型对象或者构造函数成本很高的情况非常有用。
支持更灵活的构造方式: 有些对象的构造函数可能需要多个参数，或者参数类型比较复杂。std::piecewise_construct 允许我们把这些参数打包成 std::tuple，然后传递给 std::pair 或 std::tuple 的构造函数，使得构造过程更加灵活。
移动语义友好: std::forward_as_tuple 完美转发参数，这意味着如果构造函数接受右值引用，我们可以直接传递右值，避免不必要的拷贝。

std::piecewise_construct 与 std::tuple

std::piecewise_construct 也可以用于构造 std::tuple。用法类似：

#include <iostream>
#include <string>
#include <tuple> // for std::tuple, std::piecewise_construct, std::forward_as_tuple

int main() {
  std::tuple<std::string, int, double> my_tuple(
      std::piecewise_construct,
      std::forward_as_tuple("World"),
      std::forward_as_tuple(42),
      std::forward_as_tuple(3.14));

  std::cout << std::get<0>(my_tuple) << std::endl;
  std::cout << std::get<1>(my_tuple) << std::endl;
  std::cout << std::get<2>(my_tuple) << std::endl;
  return 0;
}

进阶用法：自定义分配器

std::piecewise_construct 还可以和自定义分配器一起使用，进一步优化内存管理。假设我们有一个自定义的分配器 MyAllocator：

#include <iostream>
#include <memory>
#include <string>
#include <vector>
#include <utility> // for std::pair, std::piecewise_construct
#include <tuple>   // for std::forward_as_tuple

// 自定义分配器
template <typename T>
struct MyAllocator {
  using value_type = T;

  MyAllocator() noexcept {}
  template <typename U>
  MyAllocator(const MyAllocator<U>&) noexcept {}

  T* allocate(std::size_t n) {
    std::cout << "Allocating " << n << " elements" << std::endl;
    return static_cast<T*>(::operator new(n * sizeof(T)));
  }

  void deallocate(T* p, std::size_t n) {
    std::cout << "Deallocating " << n << " elements" << std::endl;
    ::operator delete(p);
  }
};

template <typename T, typename U>
bool operator==(const MyAllocator<T>&, const MyAllocator<U>&) {
  return true;
}

template <typename T, typename U>
bool operator!=(const MyAllocator<T>&, const MyAllocator<U>&) {
  return false;
}

int main() {
  // 使用自定义分配器构造 std::pair
  using MyPair = std::pair<std::string, std::vector<int>>;
  using AllocatorType = MyAllocator<MyPair>;
  AllocatorType my_allocator;

  // 注意：使用了 allocator_arg
  MyPair* my_pair = std::allocate_at_least<MyPair>(my_allocator, 1);

  std::construct_at(my_pair,
                      std::piecewise_construct,
                      std::forward_as_tuple("Hello"),
                      std::forward_as_tuple(5, 10));

  std::cout << my_pair->first << std::endl;
  for (int x : my_pair->second) {
    std::cout << x << " ";
  }
  std::cout << std::endl;

  my_pair->~MyPair();
  std::destroy_at(my_pair);
  std::deallocate_at_least(my_allocator, my_pair, 1);

  return 0;
}

解释一下：

MyAllocator: 一个简单的自定义分配器，只是在分配和释放内存时打印一些信息。
std::allocator_arg: 这个标签表示构造函数接受一个分配器作为参数. std::pair 和 std::tuple 提供接受分配器的构造函数重载，这些重载通常需要 std::allocator_arg 作为第一个参数，然后是分配器实例，最后才是成员的构造参数。
std::forward_as_tuple: 和之前一样，用于打包成员的构造参数。

注意事项和常见错误

忘记 std::forward_as_tuple: 这是最常见的错误。如果没有用 std::forward_as_tuple 包裹构造参数，编译器会尝试把这些参数直接传递给 std::pair 或 std::tuple 的构造函数，导致类型不匹配或者参数数量错误。
参数顺序错误: std::piecewise_construct 必须是构造函数参数列表的第一个参数，后面才是各个成员的构造参数。
构造参数类型不匹配: std::forward_as_tuple 内部会完美转发参数，所以一定要确保你传递的参数类型和成员的构造函数所接受的参数类型完全匹配。
过度使用: std::piecewise_construct 虽然很强大，但也不是万能的。对于简单的构造场景，直接使用默认构造函数或者拷贝构造函数可能更简单高效。

总结

std::piecewise_construct 是 C++11 提供的一个强大的工具，用于就地构造 std::pair 和 std::tuple。它可以避免不必要的拷贝，支持更灵活的构造方式，并且与移动语义和自定义分配器完美配合。掌握 std::piecewise_construct 可以让你写出更高效、更优雅的 C++ 代码。

表格总结

特性	描述
作用	就地构造 `std::pair` 和 `std::tuple`，避免不必要的拷贝。
用法	在构造函数参数列表中使用 `std::piecewise_construct` 作为第一个参数，后面跟各个成员的构造参数（用 `std::forward_as_tuple` 包裹）。
优点	避免拷贝，支持灵活的构造方式，移动语义友好，可与自定义分配器配合使用。
缺点	对于简单构造场景，可能不如默认构造函数或拷贝构造函数简单高效。
常见错误	忘记 `std::forward_as_tuple`，参数顺序错误，构造参数类型不匹配。
相关工具	`std::forward_as_tuple`，`std::allocator_arg`。

好了，今天的讲座就到这里。希望大家有所收获，并在实际编程中灵活运用 std::piecewise_construct。记住，编程的乐趣在于不断学习和探索，祝大家编程愉快！

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