C++在同一对象中存储左值或右值的方法

2025-04-01 12:25 开发作者： Lion 莱恩呀

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：

class MyClass
{
public:
    explicit MyClass(std::string const& s) : s_(s) {}
    void print() const
    {
        std::cout << s_ << '\n';
    }
编程客栈private:
    std::string const& s_;
};

则可以用一个左值初始化我们的引用：

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：

MyClass myObject{std::string{"hello"}};
myObject.print();

或者这样的代码：

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：

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：

MyClass myObject(X{});
std::cout << "before print" << '\n';
myObject.print();

输出：

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：

#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：

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：

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：

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varandroidiant

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：

std::variant<std::string, std::string const&>

将得到一个编译错误：

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:

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：

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：

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：

template<typename T>
T const& getConstReference(Storage<T> const& storage)
{
    return std::visit(
        overload(
            [](Value<T> const& value) -> T const&             { return value.value_; }php,
            [](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：

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：

struct NonConstReferenceFromReference : public std::runtime_erro编程客栈r
{
    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:

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：

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：

MyClass myObject{std::string{"hello"}};
myObject.print()编程客栈;

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。

六、总结

variant为c++中跟踪左值或右值的经典问题提供了一种非常适合的解决方案。这种技术的代码具有表现力，因为std::variant允许表达与我们的意图非常接近的东西：“根据上下文，对象可以是引用或值”。

在C++ 17和std::variant之前，解决这个问题很棘手，导致代码难以正确编写。随着语言的发展，标准库变得越来越强大，可以用越来越多的表达性代码来表达我们的意图。

以上就是C++在同一对象中存储左值或右值的方法的详细内容，更多关于C++同一对象存储左值的资料请关注编程客栈(www.devze.com)其它相关文章！

继续阅读：C++同一对象 C++同一对象存储值 C++存储值 C++存储左值

C++在同一对象中存储左值或右值的方法

目录

一、背景

二、跟踪值

2.1、存储引用

2.2、存储值

三、存储varandroidiant

四、通用存储类

4.1、定义const访问

4.2、定义非const访问

五、创建存储

六、总结

更多精彩内容

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