Std::optional 源码分析
背景：
std::optional 是c++17 新增的一个模版，用法也很简单，主要用于返回值是否设置了值，本文将从stl c++17的源码分析具体内部实现原理
用法:
| C++
#include
#include
#include
#include
// optional can be used as the return type of a factory that may fail
std::optional create(bool b) {
if (b)
return "Godzilla";
return {};
}
// std::nullopt can be used to create any (empty) std::optional
auto create2(bool b) {
return b ? std::optional{"Godzilla"} : std::nullopt;
}
// std::reference_wrapper may be used to return a reference
auto create_ref(bool b) {
static std::string value = "Godzilla";
return b ? std::optional>{value}
: std::nullopt;
}
int main()
{
std::cout << "create(false) returned "
<< create(false).value_or("empty") << '\n';
// optional-returning factory functions are usable as conditions of while and if
if (auto str = create2(true)) {
std::cout << "create2(true) returned " << *str << '\n';
}
if (auto str = create_ref(true)) {
// using get() to access the reference_wrapper's value
std::cout << "create_ref(true) returned " << str->get() << '\n';
str->get() = "Mothra";
std::cout << "modifying it changed it to " << str->get() << '\n';
}
} |
Output
| C++
create(false) returned empty
create2(true) returned Godzilla
create_ref(true) returned Godzilla
modifying it changed it to Mothra |
https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/optional
源码分析
本文将从最简单的std::optional 进行，其内部实现还是挺复杂的
首先看下std::optional定义
std::optional
| C++
template
class optional
: private __optional_move_assign_base<_Tp>
, private __optional_sfinae_ctor_base_t<_Tp>
, private __optional_sfinae_assign_base_t<_Tp>
{
using __base = __optional_move_assign_base<_Tp>;
public:
using value_type = _Tp;
} |
因为我们推到类型是int所以下边的__optional_sfinae_ctor_base_t 与 __optional_sfinae_assign_base_t 可以不用去关注，内部经过sfinae过后是空的实现
接下来看下__optional_move_assign_base的实现
__optional_move_assign_base
| C++
template is_trivially_destructible<_Tp>::value &&
is_trivially_move_constructible<_Tp>::value &&
is_trivially_move_assignable<_Tp>::value>
struct __optional_move_assign_base : __optional_copy_assign_base<_Tp>
{
using __optional_copy_assign_base<_Tp>::__optional_copy_assign_base;
};
template
struct __optional_move_assign_base<_Tp, false> : __optional_copy_assign_base<_Tp>
{
using value_type = _Tp;
using __optional_copy_assign_base<_Tp>::__optional_copy_assign_base;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_assign_base() = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_assign_base(const __optional_move_assign_base& __opt) = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_assign_base(__optional_move_assign_base&&) = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_assign_base& operator=(const __optional_move_assign_base&) = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_assign_base& operator=(__optional_move_assign_base&& __opt)
noexcept(is_nothrow_move_assignable_v &&
is_nothrow_move_constructible_v)
{
this->__assign_from(_VSTD::move(__opt));
return *this;
}
}; |
通过上边可以看到__optional_move_assign_base 有2个版本的实现一个是对于class有destructible，以及移动构造等，由于我们是推导的是int，所以第一个经过sfinae，推导不通过，会选择下边这个特化版本__optional_move_assign_base<_Tp, false>，这个strcut 继承__optional_copy_assign_base，所以我看下它的实现
__optional_copy_assign_base
| C++
template is_trivially_destructible<_Tp>::value &&
is_trivially_copy_constructible<_Tp>::value &&
is_trivially_copy_assignable<_Tp>::value>
struct __optional_copy_assign_base : __optional_move_base<_Tp>
{
using __optional_move_base<_Tp>::__optional_move_base;
};
template
struct __optional_copy_assign_base<_Tp, false> : __optional_move_base<_Tp>
{
using __optional_move_base<_Tp>::__optional_move_base;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_assign_base() = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_assign_base(const __optional_copy_assign_base&) = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_assign_base(__optional_copy_assign_base&&) = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_assign_base& operator=(const __optional_copy_assign_base& __opt)
{
this->__assign_from(__opt);
return *this;
}
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_assign_base& operator=(__optional_copy_assign_base&&) = default;
}; |
与上边类似__optional_copy_assign_base也有2个版本，这里就不详细解释了，我们推导类型是int所以选择下边的__optional_copy_assign_base<_Tp, false>特化版本，它又继承了__optional_move_base，这时候需要知道它的实现了
__optional_move_base
| C++
template ::value>
struct __optional_move_base : __optional_copy_base<_Tp>
{
using __optional_copy_base<_Tp>::__optional_copy_base;
};
template
struct __optional_move_base<_Tp, false> : __optional_copy_base<_Tp>
{
using value_type = _Tp;
using __optional_copy_base<_Tp>::__optional_copy_base;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_base() = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_base(const __optional_move_base&) = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_base(__optional_move_base&& __opt)
noexcept(is_nothrow_move_constructible_v)
{
this->__construct_from(_VSTD::move(__opt));
}
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_base& operator=(const __optional_move_base&) = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_move_base& operator=(__optional_move_base&&) = default;
}; |
与上边类似它也有2个版本，选择了特化版本struct __optional_move_base<_Tp, false>
struct __optional_move_base<_Tp, false> 又继承了__optional_copy_base<_Tp>，这里就去看下它的实现__optional_copy_base<_Tp>
__optional_copy_base<_Tp>
| C++
template ::value>
struct __optional_copy_base : __optional_storage_base<_Tp>
{
using __optional_storage_base<_Tp>::__optional_storage_base;
};
template
struct __optional_copy_base<_Tp, false> : __optional_storage_base<_Tp>
{
using __optional_storage_base<_Tp>::__optional_storage_base;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_base() = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_base(const __optional_copy_base& __opt)
{
this->__construct_from(__opt);
}
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_base(__optional_copy_base&&) = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_base& operator=(const __optional_copy_base&) = default;
_LIBCPP_INLINE_VISIBILITY
__optional_copy_base& operator=(__optional_copy_base&&) = default;
}; |
同样它也有2个版本，最终推导选择__optional_copy_base<_Tp, false>，这个我们看下__optional_storage_base<_Tp>的定义
__optional_storage_base<_Tp>
| C++
template ::value>
struct __optional_storage_base : __optional_destruct_base<_Tp>
{
using __base = __optional_destruct_base<_Tp>;
using value_type = _Tp;
using __base::__base;
..............
};
// optional is currently required ill-formed, however it may to be in the
// future. For this reason it has already been implemented to ensure we can
// make the change in an ABI compatible manner.
template
struct __optional_storage_base<_Tp, true>
{
using value_type = _Tp;
using __raw_type = remove_reference_t<_Tp>;
__raw_type* __value_;
.........
}; |
我们推导类型是int，is_reference<_Tp>::value 不是引用，所以它推导是上个struct __optional_storage_base : __optional_destruct_base<_Tp>，所以接下来看下 __optional_destruct_base<_Tp>的实现
__optional_destruct_base<_Tp>
| C++
template
struct __optional_destruct_base<_Tp, false>
{
typedef _Tp value_type;
static_assert(is_object_v,
"instantiation of optional with a non-object type is undefined behavior");
union
{
char __null_state_;
value_type __val_;
};
bool __engaged_;
} |
总结 sizeof(std::optional) = ?
通过上边源码分析，std::optional 最终数据是
| C++
union
{
char __null_state_;
value_type __val_;
};
bool __engaged_; |
也就是说value_type = int，所以sizeof(std::optional) == 8
std::optional 如果没设置去get会发生什么
很多人应该知道会抛异常，那我们就从源码来看