std::optional 实现为 union vs char[]/aligned_storage答案

【问题标题】：std::optional implemented as union vs char[]/aligned_storagestd::optional 实现为 union vs char[]/aligned_storage
【发布时间】：2019-02-19 15:18:28
【问题描述】：

在阅读 GCC 对 std::optional 的实现时，我注意到了一些有趣的事情。我知道boost::optional的实现如下：

template <typename T>
class optional {
    // ...
private:
    bool has_value_;
    aligned_storage<T, /* ... */> storage_;
}

但是 libstdc++ 和 libc++（以及 Abseil）都实现了它们的 optional 类型，如下所示：

template <typename T>
class optional {
    // ...
private:
    struct empty_byte {};
    union {
        empty_byte empty_;
        T value_;
    };
    bool has_value_;
}

在我看来，它们在功能上是相同的，但是使用其中一个有什么优势吗？（除了后者明显没有放置 new ，这真的很好。）

【问题讨论】：

标签： c++ c++17 unions placement-new stdoptional

【解决方案1】：

在我看来，它们在功能上是相同的，但是使用其中一个有什么优势吗？（除了后者明显缺少新的位置，这真的很好。）

这不仅仅是“非常好” - 它对于一个非常重要的功能至关重要，即：

constexpr std::optional<int> o(42);

在常量表达式中不能做几件事，包括new 和reinterpret_cast。如果您使用aligned_storage 实现optional，则需要使用new 创建对象并使用reinterpret_cast 将其取出，这将阻止optional 对constexpr 友好。

使用union 实现，您就没有这个问题，因此您可以在constexpr 编程中使用optional（甚至在Nicol 所说的fix for trivial copyability 之前，optional 已经需要作为constexpr 使用）。

【讨论】：

【解决方案2】：

std::optional不能实现为对齐存储，由于 C++17 后的缺陷修复。具体来说，如果T 可简单复制，则std::optional<T> 必须可简单复制。 union{empty; T t}; 将满足此要求

内部存储和放置-new/delete 不能使用。在 C++ 内存模型中，将 TriviallyCopyable 对象的字节复制到尚不包含对象的存储空间不足以实际创建该对象。相比之下，在 TriviallyCopyable 类型上使用的union 的编译器生成的副本将是微不足道的，并将用于创建目标对象。

所以std::optional必须以这种方式实现。

【讨论】：

为什么将 TriviallyCopyable 对象的字节副本复制到未初始化的存储不会创建该对象？在我看来，大多数原始类型都应该这样做，你能举个例子说明为什么不这样做吗？
@RonMordechai：因为 [intro.object]/1 这么说。或者更确切地说，它列出了创建对象的句法结构，而“复制内存”不在其中。因此，它不能创建对象。内存中的值不会自行产生对象。这是“有效”的 UB 的常见情况。
为什么需要空字段？它可以简单地与union { T t; }; 一起工作吗？
@random：因为T 可能不是默认可构造的。或可分配。当optional 没有T 时，必须以没有T 的方式完成。如果你有一个包含单个元素的联合，它总是存储该类型的元素。
@NicolBolas 你的意思是如果联合只有一个成员，它将自动构建？我刚刚在 Visual Studio 中进行了实验，并且没有调用构造函数。所以看起来 union 默认不存储任何对象。