C++ 中的惰性初始化

# C++中的惰性初始化 - CPP Rendering - Antoine MORRIER 来源：https://cpp-rendering.io/being-lazy-in-c/ ## 背景 我又好久没更新了。看来我得在每篇新文章开头都加上这句话，哈哈。可以说我有点懒——而这恰恰好，因为我们将要讨论如何在C++中实现“懒惰”。 惰性初始化是指将初始化延迟到实际需要时再进行。它可用于优化性能（这也是下一篇文章的主题），但最近我在为一个客户工作时遇到了一个有趣的问题，由此引出了这个话题。 ```cpp int complex_computation() { std::cout << "Compute" << std::endl; return 2; } int main() { std::optional<int> a = 50; std::optional<int> b; std::cout << a.value_or(complex_computation()) << "\n"; std::cout << b.value_or(complex_computation()) << "\n"; } ``` 为什么这段代码的输出不是： ``` 50 Compute 2 ``` 而是： ``` Compute 50 Compute 2 ``` C++的核心信条不应该是“不会为未使用的特性付出代价”吗？在第一种情况下，计算本不需要执行啊…… 细心的读者可能已经注意到，`value_or` 是一个函数，而函数的每个参数在调用前都必须被求值。在C++23中，`std::optional::or_else(f)` 通过接受一个可调用对象解决了这个特定问题。然而，`value_or` 远非唯一存在此问题的函数，因此有必要提供一个通用解决方案。例如，`std::map::try_emplace` 也存在同样的问题。 ## 分析问题 首先需要理解 `value_or` 的作用。MSVC的STL实现大致如下： ```cpp template <typename T> class optional { template <typename U> constexpr T value_or(U&& value) const& { if (this->has_value()) { return **this; } return static_cast<T>(std::forward<U>(value)); } }; ``` 从 `U` 到 `T` 的转换仅发生在回退分支中，因此计算应在此处触发。换句话说，对象 `T` 必须通过将 `U` 转换为 `T` 来具体化。 现在，让我们创建一个简单的辅助结构： ```cpp template <typename F> struct Lazy { // C++17用户需要推导指南（聚合类的CTAD是C++20特性） template <typename T> operator T() const { return initializer(); } F initializer; }; int main() { std::optional<int> a = 50; std::optional<int> b; std::cout << a.value_or(Lazy{complex_computation}) << "\n"; std::cout << b.value_or(Lazy{complex_computation}) << "\n"; } ``` 现在结果完全符合预期： ``` 50 Compute 2 ``` ## 局限性 1. **无记忆化**： ```cpp int main() { std::optional<int> a = 50; std::optional<int> b; std::optional<int> c; Lazy value{complex_computation}; std::cout << a.value_or(value) << "\n"; std::cout << b.value_or(value) << "\n"; std::cout << c.value_or(value) << "\n"; } ``` 由于 `Lazy` 不会记忆化操作结果，计算会执行两次——`b` 和 `c` 各一次。 2. **无约束**：`if (Lazy{...})` 能编译通过，但可能不会按你预期工作。 ## 总结 开头观察到的行为并非 `std::optional` 的过错：C++ 在调用前会求值函数参数，因此 `value_or(complex_computation())` 无论是否需要都会执行计算。 `value_or` 的巧妙之处在于它仅在回退分支中*转换*其参数。我们的 `Lazy` 辅助结构正是利用了这一点：将计算隐藏在转换运算符背后，使得调用者仅在实际需要具体化值时才执行计算，否则跳过。 我们故意保持辅助结构的极简性，这暴露了两个弱点：每次转换都会重新计算结果，且其无约束的转换运算符会静默转换为任何类型（包括 `bool`）。 在下一篇文章中，我们将构建一个更健壮的惰性类型，它能记忆化结果，并仅转换到其初始化器返回的类型，同时测量其运行时开销。 希望你喜欢这篇文章！ ## 参考 MSVC STL: optional::value_or (https://github.com/microsoft/STL/blob/main/stl/inc/optional#L503)