C++ `std::in_place_type_t` 与 `std::variant` 的编译期推导

哈喽，各位好！今天咱们来聊聊 C++ 中一个挺有意思的组合：std::in_place_type_t 和 std::variant 的编译期推导。 这俩货凑一块儿，能让你的代码在编译期就确定 variant 里面到底是个啥类型，避免一堆运行时的类型判断，既高效又安全。

一、std::variant：百变星君

首先，得简单回顾一下 std::variant。 这家伙就像一个可以存储多种不同类型值的容器。 它的定义长这样：

std::variant<Type1, Type2, Type3, ...> my_variant;

my_variant 可以存储 Type1、Type2、Type3 等类型的值。 就像变形金刚，能变成不同的形态。

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

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

    v = 10; // v 现在存储的是 int
    std::cout << "v is an int: " << std::get<int>(v) << std::endl;

    v = 3.14; // v 现在存储的是 double
    std::cout << "v is a double: " << std::get<double>(v) << std::endl;

    v = "Hello, variant!"; // v 现在存储的是 string
    std::cout << "v is a string: " << std::get<std::string>(v) << std::endl;

    return 0;
}

这里需要用到 std::get<T>(v) 来访问 variant 中存储的值， T 是你想要访问的类型。 如果 v 存储的不是 T 类型的对象，std::get<T>(v) 会抛出一个 std::bad_variant_access 异常。

二、std::in_place_type_t：编译期定型丸

std::in_place_type_t 是一种用于 variant 构造函数的标签类型。 它的作用是告诉 variant，“别给我拷贝或移动，直接在这个 variant 的存储空间里构造一个特定类型的对象！” 这就像给变形金刚喂了一颗定型丸，让它直接变成你想让它变成的样子。

std::in_place_type 本身就是一个空结构体，它的主要作用是作为函数重载解析的一个标志。

三、in_place_type + variant = 编译期魔法

现在，我们把 in_place_type 和 variant 结合起来，看看能变出什么花样。

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

struct MyClass {
    int x;
    std::string s;

    MyClass(int x, std::string s) : x(x), s(std::move(s)) {
        std::cout << "MyClass constructor called." << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::variant<int, MyClass> v(std::in_place_type<MyClass>, 42, "Hello");

    // v 现在存储的是 MyClass，并且 MyClass 是直接在 v 的内存空间里构造的。
    // 没有拷贝或移动。

    std::cout << "v holds MyClass.  x = " << std::get<MyClass>(v).x << std::endl;
    std::cout << "v holds MyClass.  s = " << std::get<MyClass>(v).s << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，std::variant<int, MyClass> v(std::in_place_type<MyClass>, 42, "Hello"); 这行代码的含义是：

• v 是一个可以存储 int 或 MyClass 的 variant。
• std::in_place_type<MyClass> 告诉 variant：我要在 v 内部直接构造一个 MyClass 类型的对象。
• 42 和 "Hello" 是传递给 MyClass 构造函数的参数。

关键点：MyClass 对象是在 variant 内部直接构造的，没有发生拷贝或移动操作。 这在性能敏感的场景下非常有用。

四、更复杂的情况：模板与完美转发

in_place_type 配合模板和完美转发，能玩出更多花样。 假设我们有一个函数，需要根据不同的输入类型来构造 variant。

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

template <typename T, typename... Args>
std::variant<int, double, std::string, T> create_variant(Args&&... args) {
    return std::variant<int, double, std::string, T>(std::in_place_type<T>, std::forward<Args>(args)...);
}

int main() {
    auto v1 = create_variant<int>(123); // v1 存储的是 int
    std::cout << "v1 holds int: " << std::get<int>(v1) << std::endl;

    auto v2 = create_variant<std::string>("Hello from variant"); // v2 存储的是 string
    std::cout << "v2 holds string: " << std::get<std::string>(v2) << std::endl;

    return 0;
}

在这个例子中，create_variant 函数接受任意数量的参数，并使用完美转发 std::forward 将这些参数传递给 T 类型的构造函数。 这样，我们就可以根据传入的参数，在编译期确定 variant 中存储的类型，并且高效地构造对象。

五、in_place_index：按索引指定类型

除了 in_place_type，std::variant 还提供了 in_place_index。 in_place_index 允许你通过索引来指定 variant 中存储的类型。

#include <variant>
#include <iostream>

int main() {
    std::variant<int, double, std::string> v(std::in_place_index<1>, 3.14159); // 索引 1 对应的是 double

    std::cout << "v holds double: " << std::get<double>(v) << std::endl;
    return 0;
}

在这个例子中，std::in_place_index<1> 指定了 variant 中存储的类型是 double（索引从 0 开始）。 3.14159 是传递给 double 构造函数的参数。

六、in_place_type vs. in_place_index：选择哪个？

特性	in_place_type	in_place_index
类型指定方式	通过类型名指定	通过索引指定
适用场景	当你知道要构造的具体类型时	当你只知道类型在 variant 中的索引时
代码可读性	通常更高，因为直接使用了类型名	可能较低，需要查阅 variant 的定义来确定索引对应的类型
编译时检查	更强，如果类型名拼写错误，编译时会报错	较弱，如果索引超出范围，运行时会抛出异常

一般来说，如果可能，优先使用 in_place_type，因为它更易读、更安全。 in_place_index 在某些特殊情况下（例如，索引是在运行时确定的）可能会有用。

七、一些高级用法和注意事项

• 移动语义：in_place_type 和 in_place_index 都可以与移动语义结合使用，以避免不必要的拷贝。

  #include <variant>
  #include <iostream>
  #include <string>
  
  struct MyClass {
      std::string data;
  
      MyClass(std::string data) : data(std::move(data)) {
          std::cout << "MyClass constructor called" << std::endl;
      }
      MyClass(const MyClass& other) : data(other.data){
          std::cout << "MyClass copy constructor called" << std::endl;
      }
      MyClass(MyClass&& other) : data(std::move(other.data)){
          std::cout << "MyClass move constructor called" << std::endl;
      }
  };
  
  int main() {
      std::string long_string = "This is a very long string that we want to move, not copy.";
      std::variant<int, MyClass> v(std::in_place_type<MyClass>, std::move(long_string));
  
      return 0;
  }

  在这个例子中，std::move(long_string) 将 long_string 的所有权转移到 MyClass 的构造函数中，避免了字符串的拷贝。

• 异常安全：variant 的构造函数可能会抛出异常。 使用 in_place_type 或 in_place_index 时，需要确保传递给构造函数的参数不会导致异常，或者做好异常处理。

• 空 variant：如果 variant 没有被初始化，或者它的构造函数抛出了异常，那么它将处于“空”状态。 访问空 variant 会抛出 std::bad_variant_access 异常。 可以使用 variant::index() 方法来检查 variant 是否为空。

• std::visit：配合 std::visit 可以方便地访问 variant 中存储的值，并根据不同的类型执行不同的操作。

  #include <variant>
  #include <iostream>
  #include <string>
  
  int main() {
      std::variant<int, double, std::string> v = 42;
  
      std::visit([](auto&& arg) {
          using T = std::decay_t<decltype(arg)>;
          if constexpr (std::is_same_v<T, int>) {
              std::cout << "int: " << arg << std::endl;
          } else if constexpr (std::is_same_v<T, double>) {
              std::cout << "double: " << arg << std::endl;
          } else if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>) {
              std::cout << "string: " << arg << std::endl;
          }
      }, v);
  
      return 0;
  }

  std::visit 接受一个函数对象（这里是一个 lambda 表达式）和一个 variant 对象作为参数。 它会根据 variant 中存储的类型，调用相应的函数重载。

• constexpr：如果 variant 中存储的类型都是字面类型，并且构造函数也是 constexpr 的，那么 variant 也可以是 constexpr 的。 这意味着你可以在编译期初始化 variant。

八、总结

std::in_place_type_t 和 std::variant 的组合，为 C++ 带来了强大的编译期类型推导和构造能力。 它们可以帮助你编写更高效、更安全的代码，避免运行时的类型判断开销。 掌握了这些技巧，你就可以像魔法师一样，在编译期就决定 variant 的命运。

记住，选择 in_place_type 还是 in_place_index，取决于你的具体需求。 一般来说，in_place_type 更易读、更安全，是首选。

最后，希望这篇讲座能帮助你更好地理解 std::in_place_type_t 和 std::variant。 编程之路，任重道远，继续加油！