为什么 clang 使用 libstdc++ 删除包含 std::optional 的类型上的显式默认构造函数？

Question

考虑以下带有std::optional 的结构，其中包含肯定具有“正常”默认构造函数的类型。

#include <optional>
#include <string>

struct Foo
{
    Foo() = default;
    const std::optional<std::string> m_value;
};

bool function()
{
    Foo foo;
    return bool(foo.m_value);
}

使用 clang 9 编译以下代码（使用系统默认的 libstdc++，用于其 gcc 8）会给出意外警告：

<source>:6:5: warning: explicitly defaulted default constructor is implicitly deleted [-Wdefaulted-function-deleted]
    Foo() = default;
    ^
<source>:7:38: note: default constructor of 'Foo' is implicitly deleted because field 'm_value' of const-qualified type 'const std::optional<std::string>' (aka 'const optional<basic_string<char> >') would not be initialized
    const std::optional<std::string> m_value;
                                     ^

Foo foo; 也存在硬错误，因为它使用了已删除的构造函数。

• 删除Foo() = default; 构造函数会得到相同的结果。
• 将其替换为 Foo() {} 有效！
• 删除所有构造函数并将foo 初始化为Foo foo{}; 有效！
• 将成员显式初始化为const std::optional<std::string> m_value{}; 有效！
• 从成员中删除const 有效！ （但意思不一样）
• 将 clang 9 与 -stdlib=libc++ 一起使用有效！
• 使用 gcc 8.3（仍然使用 libstdc++）有效！

我读过std::optional - construct empty with {} or std::nullopt? 这似乎表明= default 构造函数std::optional 的libstdc++ 实现选择很可能是罪魁祸首。但是，在那个问题上，关注的是一种方法与另一种方法的效率问题。在这种情况下，这似乎是一个正确性的问题。

（我怀疑How can std::chrono::duration::duration() be constexpr? 的答案将成为这里故事的一部分。）

我在 Compiler Explorer 上看到了相同的行为：https://gcc.godbolt.org/z/Yj1o5P

比较可选和非可选std::string 的简单结构（在非工作配置中）：

struct Foo { const std::optional<std::string> m_value; };
auto f1() { Foo f; return f.m_value; } // Fails: call to implicitly deleted constructor.

struct Bar { const std::string m_value; };
auto f2() { Bar b; return b.m_value; } // Works.

这是libstdc++ 中的错误吗？ clang 和libstdc++ 之间的意图和假设是否混合？

当然，我的意图不可能是我可以有一个带有const std::string 的结构，但我不能有一个带有const std::optional<std::string> 的结构，除非我写了一个构造函数？

（在实际情况下，您也会有额外的构造函数。因此，= default() 构造函数的动机首先是。那，并且clang-tidy。）

编辑：这是示例的扩展版本 (Compiler Explorer)，显示了在“纯 clang”、“纯 gcc”中工作的类似示例，但在混合“clang+libstdc++”中失败。这个稍微大一点的例子仍然是人为的，但暗示了为什么人们可能想要真正拥有这样一个默认构造函数。

struct Foo
{
    Foo() = default; // Implicitly deleted?!
    explicit Foo(std::string arg) : m_value{std::move(arg)} {}
    const auto& get() const noexcept { return m_value; }
  private:    
    const std::optional<std::string> m_value;
};

// Maybe return an empty or a full Foo.
auto function(bool flag, std::string x)
{
    Foo foo1;
    Foo foo2{x};
    return flag ? foo1 : foo2;
}

Answer 1

这是一个组合：

• 标准中的规格不足；
• 一个次优的库实现；和
• 编译器错误。

首先，标准没有指定默认optional.ctor是否允许实现将其定义为默认：

constexpr optional() noexcept = default;
                              ^^^^^^^^^ OK?

请注意，functions.within.classes 肯定地回答了复制/移动构造函数、赋值运算符和非虚拟析构函数的问题，但没有提及默认构造函数。

这很重要，因为它会影响程序的正确性；假设optional 的数据成员近似如下：

template<class T>
class optional {
    alignas(T) byte buf[sizeof(T)]; // no NSDMI
    bool engaged = false;
    // ...
};

那么由于buf 是一个直接的非变体非静态数据成员，缺少默认成员初始值设定项，如果optional 的默认构造函数被定义为默认构造函数，因此不是用户提供的，则optional 不是const-default-constructible 和 optional<A> const a; 格式不正确。

因此，对于库而言，将 optional 的默认构造函数定义为默认值是一个坏主意，不仅因为这个原因，而且因为它使值初始化的 optional<B> b{}; 执行了不必要的工作，因为它必须零初始化buf，如观察到的std::optional - construct empty with {} or std::nullopt? - 特别参见this answer。 libstdc++ 已在this commit 中修复，它将包含在 gcc 的下一个版本中，推测为 gcc 11。

最后，gcc 中的一个错误是它允许 const 非静态数据成员的非 const-default-constructible 类型没有默认构造函数定义为默认的类类型的默认成员初始化器； clang 拒绝它是正确的。 reduced testcase 是：

struct S {
    S() = default;
    int const i;
};

在您的情况下，最好的解决方法是提供 NSDMI：

const std::optional<std::string> m_value = std::nullopt;
                                         ^^^^^^^^^^^^^^

或者（虽然我更喜欢前者，因为它在 Clang/libstdc++ 下 gives better codegen）：

const std::optional<std::string> m_value = {};
                                         ^^^^

你也可以考虑给Foo一个用户定义的默认构造函数；这在 gcc 下的 results in better codegen（不将缓冲区归零，而只是将 engaged 成员设置为 false），这可能是一个相关的编译器错误。