std::variant` 的底层实现原理

std::variant 的底层实现原理可以通过以下几个核心步骤详细说明：

1. 存储管理

• 内存分配：std::variant 内部使用一个足够大的字符数组（如 alignas 调整后的 char[]）作为存储空间，确保能够容纳所有可能类型的对象，并满足它们的对齐要求。
• 对齐与大小：通过模板元编程在编译时计算所有类型中的最大大小（sizeof(T)）和最大对齐（alignof(T)），确定存储区域的最小尺寸。

2. 类型索引跟踪

• 当前激活类型：维护一个整数索引（index），标识当前存储的类型在类型列表中的位置。例如，若类型列表为 <int, double, std::string>，索引 0 表示 int，1 表示 double，依此类推。
• 编译时类型映射：利用 std::variant_alternative 等工具在编译时通过索引访问具体类型。

3. 对象生命周期管理

• 构造与析构：
  • 使用 placement new 在存储区域上构造对象。
  • 析构时，根据当前索引调用对应类型的析构函数（需手动调用 T::~T()）。
• 赋值与替换：
  • 若新类型与当前类型不同，先析构旧对象，再构造新对象。
  • 若类型相同，直接赋值（可能优化为原地修改）。

4. 异常安全

• 无值状态（valueless_by_exception）：
  • 若在构造/赋值过程中抛出异常，variant 可能进入无值状态（通过 valueless_by_exception() 检测）。
• 强异常保证：标准要求某些操作（如 emplace）在失败时回滚到操作前的状态。

5. 复制与移动语义

• 深拷贝：复制时根据当前索引，调用对应类型的拷贝构造函数。
• 移动优化：移动操作通过索引分派到对应类型的移动构造函数，避免不必要的拷贝。

6. 类型安全访问

• std::get 与 std::visit：
  • std::get<T>：编译时检查 T 是否在类型列表中，运行时检查当前索引是否匹配，否则抛出 std::bad_variant_access。
  • std::visit：通过访问者模式，根据当前索引动态分派到对应的重载调用。

7. 实现示例伪代码

template <typename... Ts>
class variant {
   
   
private:
    using index_type = std::size_t