本周小贴士#123: absl::optional和std::unique_ptr

Posted 2022-03-11 -飞鹤-

作为totW#123最初发表于2016年9月6日

由Alexey Sokolov ([e-mail]) and Etienne Dechamps ([e-mail])创作

如何存储值？

此贴士讨论了几种存储值的方法。此处我们使用类成员变量作为示例，但是以下的许多点同样也适用于局部变量。

#include <memory>
#include "third_party/absl/types/optional.h"
#include ".../bar.h"

class Foo 
  ...
 private:
  Bar val_;
  absl::optional<Bar> opt_;
  std::unique_ptr<Bar> ptr_;
;

作为一个纯对象

这是最简单的方法。val_分别在Foo的构造函数的开头和Foo析构函数的末尾被构造和销毁。如果Bar有一个默认的构造函数，那么它甚至不需要显式初始化。

val_使用起来非常安全，因为它的值不能为null。这消除了一类潜在的错误。

但是bare对象不是很灵活：

• val_的生命周期基本与它的父Foo对象的生命周期相关，这有时并不是想要的。如果Bar支持移动或交换操作，那么能够通过这些操作替换val_的内容，然而对val_的任何现有的指针或引用继续指向或引用相同的val_对象(作为容器)，而不是存储在其中的值。
• 需要传递给Bar的构造函数的任何参数都需要在Foo的构造函数的初始化列表中进行计算，如果涉及复杂的表达式，这可能是困难的。

作为absl::optinal

纯对象的简单性和std::unqiue_ptr的灵活性。对象存储在Foo中，但与纯对象不同，absl::optional可以为空。它可以随时通过赋值(opt_=)或通过在适当位置构造对象来输入。

因为是内联存储的，所以在栈上分配大对象的常见警告同样适用，正如纯对象一样。另外请注意，空absl::optional使用的内存和输入的内存一样多。

与纯对象相比，absl::optional有一些缺点：

• 对于读者来说，对象的构造和析构的地方都不明显。
• 有访问不存在对象的风险。

作为std::unique_ptr

这是最灵活的方法。对象存储在Foo外。就像absl::optional一样，std::unique_ptr能够为空。然而，不像absl::optional,它可以将对象的所有权转移给其他对象(通过移动操作)，从其他对象获取对象的所有权(通过构造函数或者赋值函数)，或者假定对某个对象的原生指针的所有权(在构造或通过ptr_=absl::WrapUnique(…)),参见TotW126.

当std::unique_ptr为null时，它没有分配对象，只消耗指针1的大小。

如果对象可能需要超出std::unique_ptr的作用域(所有权转移),那么在std::unique_ptr中包装对象是必须的。

这种灵活性伴随着一些成本：

• 增加读者的认知负担：
  • 不容易知道里面存储了什么(Bar,或从Bar派生的)。然而，它同样也会减少认知负担，因为读者能够只聚集于指针所持有的基本接口。
  • 在对象构造或析构的地方，它甚至比absl::optional更不明显，因为对象的所有权可以转移。
• 与absl::optional一样，有访问不存在对象的风险——著名的空指针解引用。
• 指针引用了额外的间接层，那需要进行堆分配，并且对CPU缓存不友好；重要与否依赖于特定的用例。
• std::unique_ptr即便是不可复制的。这依然可以防止Foo可复制。

结论

与往常一样，努力避免不必要的复杂性，并使用最简单的东西。如果适用你的情况，优先纯对象。否则，尝试absl::optional.请使用std;:unique_ptr作为最后的方法。

	Bar	absl::optional	std::unique_ptr
支持延迟构造		✓	✓
一直安全访问	✓
能够转移Bar的所有权			✓
能够存储Bar的子类			✓
可移动性	如果Bar可移动	如果Bar可移动	✓
可复制性	如果Bar可复制	如果Bar可复制
CPU缓存友好	✓	✓
无堆分配开销	✓	✓
内存用法	sizeof(Bar)	sizeof(Bar) + sizeof(bool)	为空时sizeof(Bar*)，否则sizeof(Bar*) + sizeof(Bar)
对象生命周期	和封闭作用域相同	严格限定封闭作用域	不严格
调用f(Bar*)	f(&val)	f(&opt_.value())或f(&opt_)	f(ptr_.get()) 或f(&*ptr_)
移除值	N/A	opt_.reset(); 或 opt_ = absl::nullopt;	ptr_.reset(); 或 ptr_ = nullptr;

1. 在非空自定义删除器的情况下，该删除器还有一个额外的空间。 ↩
2. 也可以添加填充。