C++ `std::any` (C++17) 的类型擦除原理与性能考量

哈喽，各位好！今天咱们来聊聊 C++17 引入的 std::any，这玩意儿可是个挺有意思的家伙，它玩的是“类型擦除”这门玄学。听起来高大上，但其实没那么可怕。咱们慢慢扒，保证你听完能用它在代码里耍两下。

啥是std::any？

简单来说，std::any 就像一个能装任何东西的魔法盒子。你可以往里面塞整数、字符串、自定义类对象，只要是能复制构造的东西，它都能装。但装进去之后，你就不知道里面具体是啥了，除非你把它取出来的时候告诉它。

类型擦除：障眼法大师

std::any 的核心技术就是类型擦除。类型擦除的目的，就是让你在使用的时候不用关心具体类型，但是底层还是得知道类型信息，不然没法正确地操作数据。这就像魔术师变魔术，你只看到结果，不知道他怎么变的。

类型擦除怎么实现的？

类型擦除的常见做法是使用虚函数表 (vtable) 和指针。咱们来看看 std::any 的内部结构（简化版）：

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

class any_base {
public:
    virtual ~any_base() = default;
    virtual const std::type_info& type() const = 0;
    virtual any_base* clone() const = 0;
    virtual void* data() = 0;
    virtual const void* data() const = 0;
};

template <typename T>
class any_holder : public any_base {
public:
    T held_value;

    any_holder(const T& value) : held_value(value) {}
    any_holder(T&& value) : held_value(std::move(value)) {}

    const std::type_info& type() const override { return typeid(T); }
    any_base* clone() const override { return new any_holder<T>(held_value); } // Deep copy
    void* data() override { return &held_value; }
    const void* data() const override { return &held_value; }
};

class any {
public:
    any() : content(nullptr) {}

    template <typename T>
    any(const T& value) : content(new any_holder<T>(value)) {}

    template <typename T>
    any(T&& value) : content(new any_holder<T>(std::move(value))) {}

    any(const any& other) : content(other.content ? other.content->clone() : nullptr) {}

    any(any&& other) noexcept : content(other.content) {
        other.content = nullptr;
    }

    ~any() { delete content; }

    any& operator=(const any& other) {
        any temp(other);  // Copy-and-swap idiom
        std::swap(content, temp.content);
        return *this;
    }

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

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

    const std::type_info& type() const {
        if (content) {
            return content->type();
        }
        else {
            return typeid(void); // Or some other sentinel value.
        }
    }

    template <typename T>
    T& any_cast() {
        if (!content) {
            throw std::bad_any_cast();
        }
        if (content->type() != typeid(T)) {
            throw std::bad_any_cast();
        }
        return *static_cast<T*>(content->data());
    }

    template <typename T>
    const T& any_cast() const {
      if (!content) {
            throw std::bad_any_cast();
        }
        if (content->type() != typeid(T)) {
            throw std::bad_any_cast();
        }
        return *static_cast<const T*>(content->data());
    }

private:
    any_base* content;
};

int main() {
    any a = 10;
    any b = std::string("hello");

    std::cout << "Type of a: " << a.type().name() << std::endl;
    std::cout << "Type of b: " << b.type().name() << std::endl;

    try {
        int value = a.any_cast<int>();
        std::cout << "Value of a: " << value << std::endl;
    } catch (const std::bad_any_cast& e) {
        std::cerr << "Error casting a: " << e.what() << std::endl;
    }

    try {
        std::string str = b.any_cast<std::string>();
        std::cout << "Value of b: " << str << std::endl;
    } catch (const std::bad_any_cast& e) {
        std::cerr << "Error casting b: " << e.what() << std::endl;
    }

    try {
        // This will throw std::bad_any_cast because 'a' holds an int.
        std::string str = a.any_cast<std::string>();
    } catch (const std::bad_any_cast& e) {
        std::cerr << "Expected error casting a to string: " << e.what() << std::endl;
    }

    any c = a; // Copy constructor
    std::cout << "Type of c: " << c.type().name() << std::endl;
    std::cout << "Value of c: " << c.any_cast<int>() << std::endl;

    any d = std::move(a); // Move constructor.  'a' is now empty.
    std::cout << "Type of d: " << d.type().name() << std::endl;
    std::cout << "Value of d: " << d.any_cast<int>() << std::endl;

    if (!a.has_value()) {
        std::cout << "'a' is now empty (moved from)." << std::endl;
    }

    return 0;
}

这个简化的例子展示了std::any背后的核心思想：

any_base 抽象基类： 定义了虚函数，比如 type()（返回类型信息）、clone() (用于复制)、data() (用于获取数据指针)等。这个基类是类型擦除的关键，它提供了统一的接口，而不管实际存储的是什么类型。
any_holder<T> 模板类： 这是一个模板类，用来实际存储特定类型 T 的值。它继承自 any_base，并实现了基类中的虚函数。 any_holder 负责持有 T 的实例，并提供访问它的方式。
any 类： any 类是用户使用的主要接口。它内部持有一个指向 any_base 的指针 content。这个指针可以指向任何 any_holder<T> 实例，从而实现存储任何类型的值。
- 构造函数： any 类提供了构造函数来接受各种类型的值，并将其存储到 any_holder 中。
- type() 方法： 返回存储在 any 对象中的值的类型信息。
- any_cast<T>() 方法： 尝试将 any 对象中的值转换为类型 T。如果类型不匹配，会抛出 std::bad_any_cast 异常。
- 复制和移动构造/赋值： 实现了正确的复制和移动语义，确保资源管理的正确性。复制构造函数和赋值运算符使用 clone() 方法进行深拷贝。

工作流程

存储数据: 当你将一个值（比如 int）赋给 std::any 对象时，std::any 会创建一个 any_holder<int> 对象，并将这个 int 值存储在里面。然后，std::any 内部的指针 content 就指向这个 any_holder<int> 对象。
获取类型信息: 当你调用 a.type() 时，它会调用 content->type()。由于 content 指向的是一个 any_holder<int> 对象，所以实际上调用的是 any_holder<int>::type()，它会返回 typeid(int)。
类型转换 (any_cast)： 当你调用 a.any_cast<int>() 时，它会先检查 content 是否为空，然后比较 content->type() 的返回值和 typeid(int) 是否相等。如果相等，就将 content 指向的 any_holder<int> 对象中的 int 值取出来，并返回一个指向它的引用。如果类型不匹配，就会抛出一个 std::bad_any_cast 异常。

优点：

灵活性: 可以存储任何可复制构造的类型。
类型安全: any_cast 提供了运行时的类型检查，防止错误的类型转换。

缺点：

性能开销: 动态分配内存、虚函数调用、类型检查等都会带来性能开销。
类型擦除: 在编译时丢失了类型信息，可能会导致一些编译时优化失效。

std::any 的性能考量

好了，说了这么多原理，现在咱们来聊聊大家最关心的：性能！毕竟，啥东西都得拿来跑跑才知道好不好用。

std::any 的性能瓶颈主要集中在以下几个方面：

动态内存分配： 每次你往 std::any 里塞东西，它都可能需要动态分配内存来存储这个东西。这动态分配和释放内存可是个费时的活儿。
虚函数调用： std::any 内部用到了虚函数，调用虚函数会增加一层间接寻址，速度肯定不如直接调用普通函数快。
类型检查： any_cast 的时候，需要进行类型检查，确保你取出来的类型和你想要的类型一致。这类型检查也是要花时间的。
拷贝构造： std::any 存储对象时，通常会进行拷贝构造。如果对象很大，拷贝构造的开销就不可忽视了。

性能优化建议

虽然 std::any 有一些性能上的缺点，但咱们还是有一些办法可以优化的：

避免不必要的拷贝： 尽量使用移动语义，减少拷贝构造的次数。
减少动态内存分配： 如果知道 std::any 可能存储的类型范围，可以考虑使用 std::variant。 std::variant 在编译时确定所有可能的类型，避免了动态内存分配。
避免频繁的 any_cast： 如果需要频繁地访问 std::any 中存储的值，可以考虑先将其转换为一个已知类型，然后再进行操作。
使用 emplace： C++23 引入了 std::any::emplace，可以直接在 any 对象内部构造对象，避免了临时对象的创建和拷贝。

std::variant vs std::any：哥俩好，功能不一样

std::variant 和 std::any 经常被放在一起比较，因为它们都可以存储多种类型的值。但它们的设计目标和使用场景是不同的。

特性	`std::any`	`std::variant`
类型限制	无，可以存储任何可复制构造的类型	必须在编译时指定所有可能的类型
内存分配	动态内存分配（可能）	静态内存分配（在 `variant` 对象内部）
类型检查	运行时类型检查	编译时类型检查（如果使用得当，如 `std::visit`）
性能	相对较慢，因为有动态内存分配和虚函数调用	相对较快，因为没有动态内存分配和虚函数调用
适用场景	需要存储类型不确定的值，或者类型集合非常大的情况	需要存储类型确定的值，并且类型集合较小的情况
例子	存储用户输入的配置信息	存储一个可以表示不同几何形状的对象（圆形、矩形、三角形）

代码示例：std::variant 的威力

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

// 定义一个 variant，可以存储 int, float, 或 string
using MyVariant = std::variant<int, float, std::string>;

int main() {
    MyVariant v1 = 10;
    MyVariant v2 = 3.14f;
    MyVariant v3 = "hello";

    // 使用 std::visit 访问 variant 中的值
    std::visit([](auto&& arg) {
        std::cout << "Type: " << typeid(arg).name() << ", Value: " << arg << std::endl;
    }, v1);

    std::visit([](auto&& arg) {
        std::cout << "Type: " << typeid(arg).name() << ", Value: " << arg << std::endl;
    }, v2);

    std::visit([](auto&& arg) {
        std::cout << "Type: " << typeid(arg).name() << ", Value: " << arg << std::endl;
    }, v3);

    // 改变 variant 的值
    v1 = "world";

    std::visit([](auto&& arg) {
        std::cout << "Type: " << typeid(arg).name() << ", Value: " << arg << std::endl;
    }, v1);

    return 0;
}

这个例子展示了 std::variant 的基本用法。你需要在编译时指定所有可能的类型，然后可以使用 std::visit 来访问 variant 中存储的值。 std::visit 使用了 lambda 表达式和模式匹配，可以很方便地处理不同类型的值。

std::any 的正确打开方式

说了这么多，那么 std::any 到底应该怎么用呢？

配置管理： 你可以用 std::any 存储各种类型的配置参数，比如整数、浮点数、字符串、布尔值等等。
消息传递： 在某些消息传递系统中，消息的类型可能是不确定的，你可以用 std::any 存储消息的内容。
实现泛型数据结构： 你可以用 std::any 实现一些泛型的数据结构，比如可以存储任何类型的元素的数组或列表。

总结

std::any 是一个强大的工具，可以让你在运行时存储和操作任何类型的值。但它也有一些性能上的缺点，需要谨慎使用。在选择 std::any 还是 std::variant 时，要根据具体的应用场景进行权衡。如果你需要存储类型不确定的值，并且类型集合非常大，那么 std::any 是一个不错的选择。如果你需要存储类型确定的值，并且类型集合较小，那么 std::variant 可能会更有效率。

记住，没有银弹！选择合适的工具，才能写出高效、可维护的代码。

希望今天的讲解对你有所帮助！咱们下回再见！

发表回复 取消回复

发表回复取消回复