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Chapter17 std::any

一般来说，C++是一门类型绑定和类型安全的语言。 值对象被声明为确定的类型，这个类型定义了所有可能的操作、也定义了对象的行为。 而且，对象不能改变自身的类型。

std::any是一种在保证类型安全的基础上还能改变自身类型的值类型。 也就是说，它可以持有任意类型的值，并且它知道自己当前持有的值是什么类型的。 当声明一个这种类型的对象时不需要指明所有可能的类型。

实现的关键在于std::any对象同时包含了值和值的类型。 因为内含的值可以有任意的大小，所以可能会在堆上分配内存。 然而，实现应该尽量避免为小类型的值例如int在堆上分配内存。

对于一个std::any对象，如果你赋值为一个字符串，它将会分配内存并拷贝字符串， 并存储记录当前的值是一个字符串。之后，可以使用运行时检查来判断当前的值的类型。 为了将当前的值转换为真实的类型，必须要使用any_cast<>。

和std::optional<>、std::variant<>一样，std::any对象有值语义。 也就是说，拷贝被实现为 深拷贝 ，会创建一个在自己的内存中持有当前值的独立对象。 因为可能会使用堆内存，所以拷贝std::any的开销一般都很大。 更推荐以引用传递对象，或者move值。std::any支持部分move语义。

17.1 使用std::any

下面的示例演示了std::any的核心能力：

std::any a;             // a为空
std::any b = 4.3;       // b有类型为double的值4.3
a = 42;                 // a有类型为int的值42
b = std::string{"hi"};  // b有类型为std::string的值"hi"

if (a.type() == typeid(std::string)) {
    std::string s = std::any_cast<std::string>(a);
    useString(s);
}
else if (a.type() == typeid(int)) {
    useInt(std::any_cast<int>(a));
}

你可以声明一个空的std::any，也可以用某个类型的值初始化。 如果传递了初始值，std::any内含的值的类型将变为初始值的类型。

通过使用成员函数type()，你可以检查内含值的类型和某一个类型的ID是否相同。 如果对象是空的，类型ID将等于typeid(void)。

为了访问内部的值，你必须使用std::any_cast<>将它转换为真正的类型：

auto s = std::any_cast<std::string>(a);

如果转换失败，可能是因为对象为空或者与内部值的类型不匹配，这时会抛出一个 std::bad_any_cast异常。因此，在不知道当前类型的情况下， 你最好像下面这样使用：

try {
    auto s = std::any_cast<std::string>(a);
    ...
}
catch (std::bad_any_cast& e) {
    std::cerr << "EXCEPTION: " << e.what() << '\n';
}

注意std::any_cast<>会创建一个指定类型的对象。 例如这个例子中，如果你用std::string作为std::any_cast<>的模板参数， 它将创建一个临时的字符串(prvalue)，然后使用临时字符串初始化新的对象s。 如果不需要初始化其他变量，更推荐转换为引用类型来避免创建临时对象：

std::cout << std::any_cast<const std::string&>(a);

如果想要修改当前的值，也需要转换为相应的引用类型：

std::any_cast<std::string&>(a) = "world";

你也可以对一个std::any对象的地址调用std::any_cast。 这种情况下，如果类型匹配那么转换结果将会是一个相应类型的指针，否则将返回nullptr：

auto p = std::any_cast<std::string>(&a);
if (p) {
    ...
}

或者，可以使用新的带初始化的if语句：

if (auto p = std::any_cast<std::string>(&a); p != nullptr) {
    ...
}

或者：

if (auto p = std::any_cast<std::string>(&a)) {
    ...
}

为了清空一个std::any对象，你可以调用：

a.reset();   // 清空对象

或者：

a = std::any{};

或者：

a = {};

你也可以直接检查对象是否有值：

if (a.has_value()) {
    ...
}

注意存储值时类型会退化（数组转换为指针，顶层引用和const被忽略）。 对于字符串字面量，值类型将是const char*。 为了使用std::any_cast<>进行转换，你必须显式指明这个类型：

std::any a = "hello";   // type()是const char*
if (a.type() == typeid(const char*)) {  // true
    ...
}
if (a.type() == typeid(std::string)) {  // false
    ...
}
std::cout << std::any_cast<const char*>(a) << '\n'; // OK
std::cout << std::any_cast<std::string>(a) << '\n'; // EXCEPTION

这基本就是std::any支持的所有操作了。 没有定义比较运算符（这意味着你不能比较或者排序对象）。 没有定义哈希函数，也没有定义value()成员函数。 而且，因为类型只有在运行时才能获取，所以也不能使用泛型lambda来独立于类型处理当前的值。 你只能使用运行时的std::any_cast<>函数来处理当前的值， 这意味着处理当前值时你需要一些类型特定的代码来重入C++的类型系统。

然而，你可以把std::any对象放置在容器中。例如：

std::vector<std::any> v;

v.push_back(42);
std::string s = "hello";
v.push_back(s);

for (const auto& a : v) {
    if (auto pa = std::any_cast<const std::string>(&a); pa != nullptr) {
        std::cout << "string: " << *pa << '\n';
    }
    else if (auto pa = std::any_cast<const int>(&a); pa != nullptr) {
        std::cout << "int: " << *pa << '\n';
    }
}

注意你应该总是使用这样的if-else链。这里不能使用switch语句。

17.2 std::any类型和操作

这一节详细描述std::any的类型和操作。

17.2.1 Any类型

在头文件中，C++标准库以如下方式定义了类std::any：

namespace std {
    class any;
}

也就是说，std::any根本就不是模板类。

另外，还定义了下面的类型和对象：

• 异常类std::bad_any_cast，当转换失败时会抛出这种异常。 这个类派生自std::bad_cast，后者又派生自std::exception。

std::any类也使用了定义在头文件<utility>中的 std::in_place_type对象（类型是std::in_place _type_t）。

17.2.2 Any操作

表std::any的操作列出了std::any的所有操作：

操作	效果
构造函数	创建一个any对象（可能会调用底层类型的构造函数）
make_any<>()	创建一个any对象（传递参数来初始化）
析构函数	销毁any对象
=	赋予新值
emplace<T>()	赋予一个类型T的新值
reset()	销毁any类型（使对象变为空）
has_value()	返回对象是否持有值
type()	以std::type_info对象返回当前类型
any_cast<T>()	将当前值转换为类型T的值（如果类型不正确将抛出异常/返回nullptr）
swap()	交换两个对象的值

构造函数

默认情况下，std::any被初始化为空。

std::any a1;        // a1是空的

如果传递值来初始化，内含值的类型将是它 退化 后的类型：

std::any a2 = 42;       // a2包含int类型的值
std::any a3 = "hello";  // a3包含const char*类型的值

为了使内部值的类型和初始值的类型不同，你需要使用in_place_type标记：

std::any a4{std::in_place_type<long>, 42};
std::any a5{std::in_place_type<std::string>, "hello"};

传给in_place_type的类型也可能退化。 下面的代码声明了一个持有const char*的对象：

std::any a5b{std::in_place_type<const char[6]>, "hello"};

为了用多个参数初始化std::any对象，你必须手动创建对象或者你可以添加 std::in_place_type作为第一个参数（因为内含类型不能直接从多个初始值推导出来）：

std::any a6{std::complex{3.0, 4.0}};
std::any a7{std::in_place_type<std::complex<double>>, 3.0, 4.0};

你甚至可以传递初值列和其他参数：

// 用一个以lambda为排序准则的set初始化std::any对象
auto sc = [] (int x, int y) {
              return std::abs(x) < std::abs(y);
          };
std::any a8{std::in_place_type<std::set<int, decltype(sc)>>, {4, 8, -7, -2, 0, 5}, sc};

注意还有一个快捷函数make_any<>()，它可以接受一个或多个参数 （不需要使用in_place_type参数）。 你必须显式指明初始化的类型（即使只有一个参数它也不会自动推导类型）：

auto a10 = std::make_any<float>(3.0);
auto a11 = std::make_any<std::string>("hello");
auto a13 = std::make_any<std::complex<double>>(3.0, 4.0);
auto a14 = std::make_any<std::set<int, decltype(sc)>> ({4, 8, -7, -2, 0, 5}, sc);

修改值

可以使用赋值操作和emplace()来修改值。例如：

std::any a;

a = 42;         // a含有int类型的值
a = "hello";    // a含有const char*类型的值
a.emplace<std::string>("hello");            // a含有std::string类型的值
a.emplace<std::complex<double>>(4.4, 5.5);  // a含有std::complex<double>类型的值

访问值

为了访问内含的值，你必须使用std::any_cast<>将它转换为真实的类型。 例如为了把值转换成string，你有以下几种方法：

std::any_cast<std::string>(a);        // 返回值的拷贝

std::any_cast<std::string&>(a);       // 通过引用获取写权限

std::any_cast<const std::string&>(a); // 通过引用获取读权限

如果移除掉顶层引用和const之后类型ID相同则说明类型匹配。 如果转换失败，将会抛出一个std::bad_any_cast异常。

为了避免异常处理，你可以传递any对象的地址。 当因为类型不匹配导致转换失败时它会返回nullptr：

if (auto sp{std::any_cast<std::string>(&a)}; sp != nullptr) {
    ... // 使用*sp获取a的值的写权限
}

if (auto sp{std::any_cast<const std::string>(&a)}; sp != nullptr) {
    ... // 使用*sp获取a的值的读权限
}

注意，这里如果转换为引用将导致运行时错误：

std::any_cast<std::string&>(&a);    // 运行时错误

move语义

std::any也支持move语义。然而，注意前提是底层类型要支持拷贝语义。 也就是说 move-only类型 不支持作为内含的值类型。

处理move语义的最佳方式可能不是很明显，你可以这样做：

std::string s("hello, world!");

std::any a;
a = std::move(s);   // 把s移进a

s = std::move(std::any_cast<std::string&>(a));  // 把a中的string移动到s

注意像通常一样，值被移走的对象处于仍然有效但是值未定义的状态。 因此，你可以继续将a用作字符串，只要不对它的值做任何假设。 下面的语句将 不会 输出"NIL"，值被移走的字符串一般是空字符串 （但也可能有其他的值）：

std::cout << (a.has_value() ? std::any_cast<std::string>(a) : std::string("NIL"));

注意：

s = std::any_cast<std::string>(std::move(a));

也能生效，但需要一次额外的move。

直接转换成右值引用将不能通过编译：

s = std::any_cast<std::string&&>(a);    // 编译期error

注意和如下调用

a = std::move(s);   // 把s移进a

相比，下面的代码 有可能不能 工作（即使这是C++标准里的一个例子）：

std::any_cast<string&>(a) = std::move(s); // OOPS：a必须持有string

只有当a已经包含有一个std::string类型的值时这段代码才能工作。 否则，在我们赋予新值之前，这个转换就会抛出std::bad_any_cast异常。