C++进阶技巧：如何在同一对象中存储左值或右值
一、背景
C++ 代码似乎经常出现一个问题：如果该值可以来自左值或右值，则对象如何跟踪该值？即如果保留该值作为引用，那么就无法绑定到临时对象。如果将其保留为一个值，那么当它从左值初始化时，会产生不必要的副本。
有几种方法可以应对这种情况。使用std::variant提供了一个很好的折衷方案来获得有表现力的代码。
二、跟踪值
假设有一个类MyClass。想让MyClass访问某个std::string。如何表示MyClass内部的字符串？有两种选择：
将其存储为引用。
将其存储为副本。
2.1、存储引用
如果将其存储为引用，例如const引用：
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代码语言：C++
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class MyClass { public: explicit MyClass(std::string const& s) : s_(s) {} void print() const { std::cout << s_ << '\n'; } private: std::string const& s_; };
则可以用一个左值初始化我们的引用：
代码语言：C++
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std::string s = "hello"; MyClass myObject{s}; myObject.print();
看起来很不错。但是，如果想用右值初始化我们的对象呢？例如：
代码语言：C++
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MyClass myObject{std::string{"hello"}}; myObject.print();
或者这样的代码：
代码语言：C++
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std::string getString(); // function declaration returning by value MyClass myObject{getString()}; myObject.print();
那么代码具有未定义的行为。原因是，临时字符串对象在创建它的同一条语句中被销毁。当调用print时，字符串已经被破坏，使用它是非法的，并导致未定义的行为。
为了说明这一点，如果将std::string替换为类型X，并且在X的析构函数打印日志：
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代码语言：C++
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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_; };
在调用的地方也打印日志：
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MyClass myObject(X{}); std::cout << "before print" << '\n'; myObject.print();
输出：
代码语言：Bash
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X destroyed before print
可以看到，在尝试使用之前，这个X已经被破坏了。
完整示例：
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代码语言：C++
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#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、存储值
另一种选择是存储一个值。这允许使用move语义将传入的临时值移动到存储值中：
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class MyClass { public: explicit MyClass(std::string s) : s_(std::move(s)) {} void print() const { std::cout << s_ << '\n'; } private: std::string s_; };
现在调用它：
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MyClass myObject{std::string{"hello"}}; myObject.print();
产生两次移动(一次构造s，一次构造s_)，并且没有未定义的行为。实际上，即使临时对象被销毁，print也会使用类内部的实例。
不幸的是，如果带着左值返回到第一个调用点：
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std::string s = "hello"; MyClass myObject{s}; myObject.print();
那么就不再做两次移动了：做了一次复制(构造s)和一次移动(构造s_)。
更重要的是，我们的目的是给MyClass访问字符串的权限，如果做一个拷贝，就有了一个不同于进来的实例。所以它们不会同步。
对于临时对象来说，这不是问题，因为它无论如何都会被销毁，并且我们在之前将它移了进来，所以仍然可以访问字符串。但是通过复制，我们不再给MyClass访问传入字符串的权限。
所以存储一个值也不是一个好的解决方案。
三、存储variant
存储引用不是一个好的解决方案，存储值也不是一个好的解决方案。我们想做的是，如果引用是从左值初始化的，则存储引用；如果引用是从右值初始化的，则存储引用。
但是数据成员只能是一种类型：值或引用，对吗?
但是，对于std::variant，它可以是任意一个。不过，如果尝试在一个变量中存储引用，就像这样：
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std::variant<std::string, std::string const&>
将得到一个编译错误：
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variant must have no reference alternative
为了达到我们的目的，需要将引用放在另一个类型中；即必须编写特定的代码来处理数据成员。如果为std::string编写这样的代码，则不能将其用于其他类型。
在这一点上，最好以通用的方式编写代码。
四、通用存储类
存储需要是一个值或一个引用。既然现在是为通用目的编写这段代码，那么也可以允许非const引用。由于变量不能直接保存引用，那么可以将它们存储到包装器中:
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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)) {} };
将存储定义为这两种情况之一：
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template<typename T> using Storage = std::variant<Value<T>, ConstReference<T>, NonConstReference<T>>;
现在需要通过提供引用来访问变量的底层值。创建了两种类型的访问:一种是const，另一种是非const。
4.1、定义const访问
要定义const访问，需要使变量内部的三种可能类型中的每一种都产生一个const引用。
为了访问变量中的数据，将使用std::visit和规范的overload模式，这可以在c++ 17中实现：
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template<typename... Functions> struct overload : Functions... { using Functions::operator()...; overload(Functions... functions) : Functions(functions)... {} };
要获得const引用，只需为每种variant创建一个：
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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、定义非const访问
非const引用的创建使用相同的技术，除了variant是ConstReference之外，它不能产生非const引用。然而，当std::visit访问一个变量时，必须为它的每一个可能的类型编写代码：
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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 ); }
进一步优化，抛出一个异常：
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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、创建存储
已经定义了存储类，可以在示例中使用它来访问传入的std::string，而不管它的值类别:
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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）调用时带左值：
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std::string s = "hello"; MyClass myObject{s}; myObject.print();
匹配第一个构造函数，并在存储成员内部创建一个NonConstReference。当print函数调用getConstReference时，非const引用被转换为const引用。
（2）使用临时值：
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MyClass myObject{std::string{"hello"}}; myObject.print();
这个函数匹配第三个构造函数，并将值移动到存储中。getConstReference然后将该值的const引用返回给print函数。