C++在同一對(duì)象中存儲(chǔ)左值或右值的方法
一、背景
C++ 代碼似乎經(jīng)常出現(xiàn)一個(gè)問題：如果該值可以來自左值或右值，則對(duì)象如何跟蹤該值？即如果保留該值作為引用，那么就無(wú)法綁定到臨時(shí)對(duì)象。如果將其保留為一個(gè)值，那么當(dāng)它從左值初始化時(shí)，會(huì)產(chǎn)生不必要的副本。
有幾種方法可以應(yīng)對(duì)這種情況。使用std::variant提供了一個(gè)很好的折衷方案來獲得有表現(xiàn)力的代碼。
二、跟蹤值
假設(shè)有一個(gè)類MyClass。想讓MyClass訪問某個(gè)std::string。如何表示MyClass內(nèi)部的字符串？
有兩種選擇：
- 將其存儲(chǔ)為引用。
- 將其存儲(chǔ)為副本。
2.1、存儲(chǔ)引用
如果將其存儲(chǔ)為引用，例如const引用：
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(std::string const& s) : s_(s) {}
void print() const
{
std::cout << s_ << '\n';
}
private:
std::string const& s_;
};
則可以用一個(gè)左值初始化我們的引用：
std::string s = "hello";
MyClass myObject{s};
myObject.print();
看起來很不錯(cuò)。但是，如果想用右值初始化我們的對(duì)象呢？例如：
MyClass myObject{std::string{"hello"}};
myObject.print();
或者這樣的代碼：
std::string getString(); // function declaration returning by value
MyClass myObject{getString()};
myObject.print();
那么代碼具有未定義的行為。原因是，臨時(shí)字符串對(duì)象在創(chuàng)建它的同一條語(yǔ)句中被銷毀。當(dāng)調(diào)用print時(shí)，字符串已經(jīng)被破壞，使用它是非法的，并導(dǎo)致未定義的行為。
為了說明這一點(diǎn)，如果將std::string替換為類型X，并且在X的析構(gòu)函數(shù)打印日志：
struct X
{
~X() { std::cout << "X destroyed" << '\n';}
};
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(X const& x) : x_(x) {}
void print() const
{
// using x_;
}
private:
X const& x_;
};
在調(diào)用的地方也打印日志：
MyClass myObject(X{});
std::cout << "before print" << '\n';
myObject.print();
輸出：
X destroyed before print
可以看到，在嘗試使用之前，這個(gè)X已經(jīng)被破壞了。
完整示例：
#include <iostream>
#include <string>
struct X
{
~X() { std::cout << "X destroyed" << '\n';}
};
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(X const& x) : x_(x) {}
void print()
{
(void) x_; // using x_;
}
private:
X const& x_;
};
int main()
{
MyClass myObject(X{});
std::cout << "before print" << '\n';
myObject.print();
}
2.2、存儲(chǔ)值
另一種選擇是存儲(chǔ)一個(gè)值。這允許使用move語(yǔ)義將傳入的臨時(shí)值移動(dòng)到存儲(chǔ)值中：
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(std::string s) : s_(std::move(s)) {}
void print() const
{
std::cout << s_ << '\n';
}
private:
std::string s_;
};
現(xiàn)在調(diào)用它：
MyClass myObject{std::string{"hello"}};
myObject.print();
產(chǎn)生兩次移動(dòng)(一次構(gòu)造s，一次構(gòu)造s_)，并且沒有未定義的行為。實(shí)際上，即使臨時(shí)對(duì)象被銷毀，print也會(huì)使用類內(nèi)部的實(shí)例。
不幸的是，如果帶著左值返回到第一個(gè)調(diào)用點(diǎn)：
std::string s = "hello";
MyClass myObject{s};
myObject.print();
那么就不再做兩次移動(dòng)了：做了一次復(fù)制(構(gòu)造s)和一次移動(dòng)(構(gòu)造s_)。
更重要的是，我們的目的是給MyClass訪問字符串的權(quán)限，如果做一個(gè)拷貝，就有了一個(gè)不同于進(jìn)來的實(shí)例。所以它們不會(huì)同步。
對(duì)于臨時(shí)對(duì)象來說，這不是問題，因?yàn)樗鼰o(wú)論如何都會(huì)被銷毀，并且我們?cè)谥皩⑺屏诉M(jìn)來，所以仍然可以訪問字符串。但是通過復(fù)制，我們不再給MyClass訪問傳入字符串的權(quán)限。
所以存儲(chǔ)一個(gè)值也不是一個(gè)好的解決方案。
三、存儲(chǔ)variant
存儲(chǔ)引用不是一個(gè)好的解決方案，存儲(chǔ)值也不是一個(gè)好的解決方案。我們想做的是，如果引用是從左值初始化的，則存儲(chǔ)引用；如果引用是從右值初始化的，則存儲(chǔ)引用。
但是數(shù)據(jù)成員只能是一種類型：值或引用，對(duì)嗎?
但是，對(duì)于std::variant，它可以是任意一個(gè)。不過，如果嘗試在一個(gè)變量中存儲(chǔ)引用，就像這樣：
std::variant<std::string, std::string const&>
將得到一個(gè)編譯錯(cuò)誤：
variant must have no reference alternative
為了達(dá)到我們的目的，需要將引用放在另一個(gè)類型中；即必須編寫特定的代碼來處理數(shù)據(jù)成員。如果為std::string編寫這樣的代碼，則不能將其用于其他類型。
在這一點(diǎn)上，最好以通用的方式編寫代碼。
四、通用存儲(chǔ)類
存儲(chǔ)需要是一個(gè)值或一個(gè)引用。既然現(xiàn)在是為通用目的編寫這段代碼，那么也可以允許非const引用。由于變量不能直接保存引用，那么可以將它們存儲(chǔ)到包裝器中:
template<typename T>
struct NonConstReference
{
T& value_;
explicit NonConstReference(T& value) : value_(value){};
};
template<typename T>
struct ConstReference
{
T const& value_;
explicit ConstReference(T const& value) : value_(value){};
};
template<typename T>
struct Value
{
T value_;
explicit Value(T&& value) : value_(std::move(value)) {}
};
將存儲(chǔ)定義為這兩種情況之一：
template<typename T> using Storage = std::variant<Value<T>, ConstReference<T>, NonConstReference<T>>;
現(xiàn)在需要通過提供引用來訪問變量的底層值。創(chuàng)建了兩種類型的訪問:一種是const，另一種是非const。
4.1、定義const訪問
要定義const訪問，需要使變量?jī)?nèi)部的三種可能類型中的每一種都產(chǎn)生一個(gè)const引用。
為了訪問變量中的數(shù)據(jù)，將使用std::visit和規(guī)范的overload 模式，這可以在c++ 17中實(shí)現(xiàn)：
template<typename... Functions>
struct overload : Functions...
{
using Functions::operator()...;
overload(Functions... functions) : Functions(functions)... {}
};
要獲得const引用，只需為每種variant創(chuàng)建一個(gè)：
template<typename T>
T const& getConstReference(Storage<T> const& storage)
{
return std::visit(
overload(
[](Value<T> const& value) -> T const& { return value.value_; },
[](NonConstReference<T> const& value) -> T const& { return value.value_; },
[](ConstReference<T> const& value) -> T const& { return value.value_; }
),
storage
);
}
4.2、定義非const訪問
非const引用的創(chuàng)建使用相同的技術(shù)，除了variant是ConstReference之外，它不能產(chǎn)生非const引用。然而，當(dāng)std::visit訪問一個(gè)變量時(shí)，必須為它的每一個(gè)可能的類型編寫代碼：
template<typename T>
T& getReference(Storage<T>& storage)
{
return std::visit(
overload(
[](Value<T>& value) -> T& { return value.value_; },
[](NonConstReference<T>& value) -> T& { return value.value_; },
[](ConstReference<T>& ) -> T&. { /* code handling the error! */ }
),
storage
);
}
進(jìn)一步優(yōu)化，拋出一個(gè)異常：
struct NonConstReferenceFromReference : public std::runtime_error
{
explicit NonConstReferenceFromReference(std::string const& what) : std::runtime_error{what} {}
};
template<typename T>
T& getReference(Storage<T>& storage)
{
return std::visit(
overload(
[](Value<T>& value) -> T& { return value.value_; },
[](NonConstReference<T>& value) -> T& { return value.value_; },
[](ConstReference<T>& ) -> T& { throw NonConstReferenceFromReference{"Cannot get a non const reference from a const reference"} ; }
),
storage
);
}
五、創(chuàng)建存儲(chǔ)
已經(jīng)定義了存儲(chǔ)類，可以在示例中使用它來訪問傳入的std::string，而不管它的值類別:
class MyClass
{
public:
explicit MyClass(std::string& value) : storage_(NonConstReference(value)){}
explicit MyClass(std::string const& value) : storage_(ConstReference(value)){}
explicit MyClass(std::string&& value) : storage_(Value(std::move(value))){}
void print() const
{
std::cout << getConstReference(storage_) << '\n';
}
private:
Storage<std::string> storage_;
};
（1）調(diào)用時(shí)帶左值：
std::string s = "hello";
MyClass myObject{s};
myObject.print();
匹配第一個(gè)構(gòu)造函數(shù)，并在存儲(chǔ)成員內(nèi)部創(chuàng)建一個(gè)NonConstReference。當(dāng)print函數(shù)調(diào)用getConstReference時(shí)，非const引用被轉(zhuǎn)換為const引用。
（2）使用臨時(shí)值：
MyClass myObject{std::string{"hello"}};
myObject.print();
這個(gè)函數(shù)匹配第三個(gè)構(gòu)造函數(shù)，并將值移動(dòng)到存儲(chǔ)中。getConstReference然后將該值的const引用返回給print函數(shù)。
六、總結(jié)
variant為c++中跟蹤左值或右值的經(jīng)典問題提供了一種非常適合的解決方案。這種技術(shù)的代碼具有表現(xiàn)力，因?yàn)閟td::variant允許表達(dá)與我們的意圖非常接近的東西：“根據(jù)上下文，對(duì)象可以是引用或值”。
在C++ 17和std::variant之前，解決這個(gè)問題很棘手，導(dǎo)致代碼難以正確編寫。隨著語(yǔ)言的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)變得越來越強(qiáng)大，可以用越來越多的表達(dá)性代碼來表達(dá)我們的意圖。
以上就是C++在同一對(duì)象中存儲(chǔ)左值或右值的方法的詳細(xì)內(nèi)容，更多關(guān)于C++同一對(duì)象存儲(chǔ)左值的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！
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