Modern C++ std::variant的实现原理

前言

std::variant是C++17标准库引入的一种类型，用于安全地存储和访问多种类型中的一种。它类似于C语言中的联合体（union），但功能更为强大。与联合体相比，std::variant具有类型安全性，可以判断当前存储的实际类型，并且可以存储结构体/类等复杂的数据结构。

preview 原理

我们依然采用“一图胜千言”的思想，给大家先展现下std::variant对应的UML图。这些图都是用我之前写的工具DotObject自动画出来的，有兴趣请参考《GDB调试技巧实战–自动化画出类关系图》，还有一篇应用实践《Modern C++利用工具快速理解std::tuple的实现原理》。
我们先举个简单的例子

std::variant<int,double>

解释一下：重点是**_Variadic_union**, 它是一个递归union，大概相当于c中的：

union _Variadic_union{数据  _M_first; //第N层的_Variadic_union  _M_rest;  //下一层还是一个union
}

另一个重点是：_Variant_storage::_M_index 是当前数据类型是可选类型列表中第几个，比如设置一个0.2，则当前类型是double, 此时_M_index=1(从0开始）。

std::variant的实现重点：存储

通过上面的preview，相信读者已经通过直观的认识快速入门并理解了底层是如何存储数据的了。
下面我们用GDB把数据打印出来看看：

variant<int,double> v1(3);

再赋值为2.0

v1 = 2.0;

在有了直观认识后，我们来看下源代码：

 348   template<typename... _Types>349     union _Variadic_union { };350351   template<typename _First, typename... _Rest>352     union _Variadic_union<_First, _Rest...>353     {354       constexpr _Variadic_union() : _M_rest() { }355356       template<typename... _Args>357     constexpr _Variadic_union(in_place_index_t<0>, _Args&&... __args)358     : _M_first(in_place_index<0>, std::forward<_Args>(__args)...)359     { }360361       template<size_t _Np, typename... _Args>362     constexpr _Variadic_union(in_place_index_t<_Np>, _Args&&... __args)363     : _M_rest(in_place_index<_Np-1>, std::forward<_Args>(__args)...)364     { }365366       _Uninitialized<_First> _M_first;367       _Variadic_union<_Rest...> _M_rest;368     };

先不必管行356到364(问题一，这几行干啥用？），367行体现了递归的思想（递归在标准库实现中大量使用），每次都把第一个值单独拿出来。如果理解有困难，直接扔到cppinsights让它帮我们展开（为了方便cppinsights展开，我把_M_first先简化为_First类型了，之后再详细分析它）：

可以看到_Variadic_union<int,double> = int _M_first + _Variadic_union _M_rest
_Variadic_union = double _M_first + _Variadic_union<>
OK, _M_rest是为了递归，哪_M_first哪？当然，大家已经看到它对应每层的数据，不过它的实际类型是**_Uninitialized**，在我们的例子中分别对应只包含int或double的结构体,

不要简单的以为总是“类型 _M_storage”, 看下不是int、double等简单类型而是一个结构体或类会怎么样？

class Person{public:Person(const string& name, int age):_name(name),_age(age){}~Person(){cout<<"Decons Person:";print();}void print(){cout<<"name="<<_name<<" age="<<_age<<endl;}private:string _name;int _age;
};
int main(){variant<int,Person> v2;
}

可见它把Person变成了char[40], 40恰为Person的size大小。
让我们看下**_Uninitialized**的定义：

 227   // _Uninitialized<T> is guaranteed to be a trivially destructible type,228   // even if T is not.229   template<typename _Type, bool = std::is_trivially_destructible_v<_Type>>230     struct _Uninitialized;231232   template<typename _Type>233     struct _Uninitialized<_Type, true>234     {235       template<typename... _Args>236     constexpr237     _Uninitialized(in_place_index_t<0>, _Args&&... __args)238     : _M_storage(std::forward<_Args>(__args)...)239     { }240241       constexpr const _Type& _M_get() const & noexcept242       { return _M_storage; }243244       constexpr _Type& _M_get() & noexcept245       { return _M_storage; }246247       constexpr const _Type&& _M_get() const && noexcept248       { return std::move(_M_storage); }249250       constexpr _Type&& _M_get() && noexcept251       { return std::move(_M_storage); }252253       _Type _M_storage;254     };255256   template<typename _Type>257     struct _Uninitialized<_Type, false>258     {259       template<typename... _Args>260     constexpr261     _Uninitialized(in_place_index_t<0>, _Args&&... __args)262     {263       ::new ((void*)std::addressof(_M_storage))264         _Type(std::forward<_Args>(__args)...);265     }266267       const _Type& _M_get() const & noexcept268       { return *_M_storage._M_ptr(); }269270       _Type& _M_get() & noexcept271       { return *_M_storage._M_ptr(); }272273       const _Type&& _M_get() const && noexcept274       { return std::move(*_M_storage._M_ptr()); }275276       _Type&& _M_get() && noexcept277       { return std::move(*_M_storage._M_ptr()); }278279       __gnu_cxx::__aligned_membuf<_Type> _M_storage;280     };

很明显，针对is_trivially_destructible_v是true、false各有一个特化，type为Person时命中_Uninitialized<_Type, false>（因为它有自己定义的析构函数，故is_trivially_destructible_v==false, 细节请参考下面的截图）

std::variant的实现重点：get(获取值)

存是递归，取也是递归取
给出任意一个variant object, 比如v1, 我们知道

1. 数据类型对应的下标是v1._M_index
2. 数据存在v1._M_u
   则要想获得第一个数据类型的值只需return v1._M_u._M_first
   要想获得第二个数据类型的值只需return v1._M_u._M_rest._M_first
   要想获得第三个数据类型的值只需return v1._M_u._M_rest._M_rest._M_first
   … …
   这正是源代码的实现方式：

282   template<typename _Union>283     constexpr decltype(auto)  //获得第一个数据类型的值  我们的例子中是int284     __get(in_place_index_t<0>, _Union&& __u) noexcept285     { return std::forward<_Union>(__u)._M_first._M_get(); }286287   template<size_t _Np, typename _Union>288     constexpr decltype(auto)  //获得第N个数据类型的值  我们的例子中第二个是double289     __get(in_place_index_t<_Np>, _Union&& __u) noexcept290     {291       return __variant::__get(in_place_index<_Np-1>,  //递归292                   std::forward<_Union>(__u)._M_rest);293     }294295   // Returns the typed storage for __v.296   template<size_t _Np, typename _Variant>297     constexpr decltype(auto)298     __get(_Variant&& __v) noexcept299     {300       return __variant::__get(std::in_place_index<_Np>,301                   std::forward<_Variant>(__v)._M_u);302     }

对照上面的实现想一想下面的代码如何运行的？

variant<int,double> v(1.0);
cout<<get<1>(v);

这个哪？

std::variant<int, double, char, string> myVariant("mzhai");
string s = get<3>(myVariant);

需要很多次._M_rest对不？ 所以如果你非常看重效率，那么请把常用的类型安排在前面，比如把上面的代码改成:

std::variant<string, int, double, char> myVariant("mzhai");

std::variant的实现重点：赋值

赋值大体有三种办法：

1. 初始化（调用构造函数）
2. 重新赋值 (调用operator = )
3. 重新赋值 (调用emplace)
   但赋值很复杂，因为情况很多：
4. variant alternatives都是int般简单类型，=右边也是简单类型
5. variant alternatives都是trivial类，=右边也是trivial类
6. variant alternatives都是非trivial类，=右边也是非trivial类
7. variant alternatives都是非trivial类，=右边是构造非trivial类的参数
8. variant alternatives都是非trivial类，而且有些类的ctor或mtor或assignment operator被删除
9. copy assignment/ move assignment 会抛异常导致valueless
10. …
    情况多的不厌其烦。头大。
    我们只挑最简单的说下(捏个软柿子~), 考虑如下代码：

std::variant<int, double> v;
v = 2.0f;

对应的实现为：

1456       template<typename _Tp>
1457     enable_if_t<__exactly_once<__accepted_type<_Tp&&>>
1458             && is_constructible_v<__accepted_type<_Tp&&>, _Tp>
1459             && is_assignable_v<__accepted_type<_Tp&&>&, _Tp>,
1460             variant&>
1461     operator=(_Tp&& __rhs)
1462     noexcept(is_nothrow_assignable_v<__accepted_type<_Tp&&>&, _Tp>
1463          && is_nothrow_constructible_v<__accepted_type<_Tp&&>, _Tp>)
1464     {
1465       constexpr auto __index = __accepted_index<_Tp>;
1466       if (index() == __index)   //index()为0，因为初始化v时以int初始化，__index为1//这种情况对应的是前面那次赋值和这次赋值类型一样。比如v=1.0; v=2.0
1467         std::get<__index>(*this) = std::forward<_Tp>(__rhs);
1468       else
1469         {//前后两次赋值类型不一样，比如v=1; v=2.0.  本例v=2.0f走这里。
1470           using _Tj = __accepted_type<_Tp&&>;
1471           if constexpr (is_nothrow_constructible_v<_Tj, _Tp>
1472                 || !is_nothrow_move_constructible_v<_Tj>)
1473         this->emplace<__index>(std::forward<_Tp>(__rhs));//本例走这
1474           else
1475         operator=(variant(std::forward<_Tp>(__rhs)));
1476         }
1477       return *this;
1478     }1499       template<size_t _Np, typename... _Args>
1500     enable_if_t<is_constructible_v<variant_alternative_t<_Np, variant>,
1501                        _Args...>,
1502             variant_alternative_t<_Np, variant>&>
1503     emplace(_Args&&... __args)
1504     {
1505       static_assert(_Np < sizeof...(_Types),
1506             "The index must be in [0, number of alternatives)");
1507       using type = variant_alternative_t<_Np, variant>;
1508       namespace __variant = std::__detail::__variant;
1509       // Provide the strong exception-safety guarantee when possible,
1510       // to avoid becoming valueless.
1511       if constexpr (is_nothrow_constructible_v<type, _Args...>)
1512         {
1513           this->_M_reset();  //析构原对象，并置_M_index=-1
1514           __variant::__construct_by_index<_Np>(*this, //placement new,构造新值
1515           std::forward<_Args>(__args)...);
1516         }
1517       else if constexpr (is_scalar_v<type>)
1518         {
1519           // This might invoke a potentially-throwing conversion operator:
1520           const type __tmp(std::forward<_Args>(__args)...);
1521           // But these steps won't throw:
1522           this->_M_reset();
1523           __variant::__construct_by_index<_Np>(*this, __tmp);
1524         }
1525       else if constexpr (__variant::_Never_valueless_alt<type>()
1526           && _Traits::_S_move_assign)

析构原来的类型对象和构造新的类型对象请分别参考_M_reset __construct_by_index

 422       void _M_reset()423       {424     if (!_M_valid()) [[unlikely]]425       return;426427     std::__do_visit<void>([](auto&& __this_mem) mutable428       {429         std::_Destroy(std::__addressof(__this_mem));430       }, __variant_cast<_Types...>(*this));431432     _M_index = static_cast<__index_type>(variant_npos);433       }1092   template<size_t _Np, typename _Variant, typename... _Args>
1093     inline void
1094     __construct_by_index(_Variant& __v, _Args&&... __args)
1095     {
1096       auto&& __storage = __detail::__variant::__get<_Np>(__v);
1097       ::new ((void*)std::addressof(__storage))
1098         remove_reference_t<decltype(__storage)>
1099       (std::forward<_Args>(__args)...);
1100       // Construction didn't throw, so can set the new index now:
1101       __v._M_index = _Np;
1102     }

赋值原理基本大体如此，如有读者感觉意犹未尽，这里我给一个程序供大家调试研究思考：

#include<iostream>
#include<variant>
using namespace std;int main(){class C1{public:C1(int i):_i(i){}private:int _i;};cout<<is_nothrow_constructible_v<C1><<endl;cout<<is_nothrow_move_constructible_v<C1><<endl;variant<string, C1> v;v = 10; //重点在这里return 0;
}

提示：

1. 没走emplace, 走了1475 operator=(variant(std::forward<_Tp>(__rhs)));
2. 还记得上面我们留了一个问题吗？

先不必管行356到364(问题一，这几行干啥用？）

本例调用了362的构造函数 constexpr _Variadic_union(in_place_index_t<_Np>, _Args&&… __args)
这个构造函数就是为类类型(有parameterized constructor)准备的。