1.背景

union，人皆知而鮮用的一個(gè)類。我最近在閱讀C++標(biāo)準(zhǔn)庫的源碼時(shí)，看到了如下實(shí)現(xiàn)：

template<typename T>
struct constant_init {
    union {
        T obj;
    };
    constexpr constant_init() : obj() {}

    ~constant_init() { /* do nothing, union object is not destroyed */}
};

constant_init 用來在編譯期創(chuàng)建一個(gè)類型 T 的對象 obj，obj 就放在了匿名的 union 中。為何要把一個(gè)對象放在 union 中？只因不想讓該對象被銷毀。

union 便有此用，標(biāo)準(zhǔn)描述為：

Absent default member initializers, if any non-static data member of a union has a non-trivial default constructor, copy constructor, move constructor, copy assignment operator, move assignment operator, or destructor, the corresponding member function of the union will be implicitly deleted unless it is user-provided.
在沒有默認(rèn)成員初始化器的情況下，如果 union 的任一非靜態(tài)數(shù)據(jù)成員具有非平凡的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)、拷貝構(gòu)造函數(shù)、移動(dòng)構(gòu)造函數(shù)、拷貝賦值運(yùn)行符、移動(dòng)賦值運(yùn)算符或析構(gòu)函數(shù)，則其相應(yīng)的成員函數(shù)將被隱式刪除（除非用戶顯式定義）。

例如：

union S {
    int a;
    std::string str;
};

S 無法使用，因?yàn)?std::string 導(dǎo)致它的對應(yīng)成員函數(shù)被隱式刪除了。

可以通過以下方式來解決。

1.使用 default member initializer

union S {
    int a;
    std::string str = "union str"; // default member initializer
    ~S() {} // explicitly define a destructor
} s;

std::cout << s.str;

default member initializer 會(huì)構(gòu)造一個(gè) std::string 對象，于是成員 str 處于激活狀態(tài)。此時(shí)，S 的默認(rèn)構(gòu)造函數(shù)不會(huì)被刪除，但析構(gòu)函數(shù)依舊被移除，需要顯式寫出（但 std::string 依舊不會(huì)被析構(gòu)，必須顯式調(diào)用析構(gòu)）。

2.聚合初始化

union S {
    std::string str;
    int a;
    ~S() {} // explicitly define a destructor
} s = { "union str"s };

std::cout << s.str;

此時(shí)，S 的構(gòu)造函數(shù)也被刪除了。但是，聚合初始化能夠初始化構(gòu)造函數(shù)被刪除的對象，聚合初始化的類本身就不允許有構(gòu)造函數(shù)。

需要注意，union 的聚合初始化，默認(rèn)初始化第一個(gè)成員，所以 str 被挪到最前面了。

3.顯式寫出被刪除的函數(shù)

這個(gè)就不必給例子了。

2.核心作用與設(shè)計(jì)意圖

該模板結(jié)構(gòu)體是 C++ 編譯期常量初始化的包裝器，核心目標(biāo)是讓任意類型 T 支持 constexpr（編譯期）默認(rèn)初始化，同時(shí)通過 union 特性避免自動(dòng)調(diào)用 T 的析構(gòu)函數(shù)，適用于需編譯期構(gòu)造且手動(dòng)管理生命周期的場景。

3.關(guān)鍵設(shè)計(jì)

• union 的妙用：僅包含單個(gè)成員 T obj，利用 union 的特性 —— 編譯器不會(huì)自動(dòng)調(diào)用成員的析構(gòu)函數(shù)（因 union 無法確定活躍成員），因此析構(gòu)函數(shù) ~constant_init() 空實(shí)現(xiàn)是合理的，避免誤調(diào)用 obj 的析構(gòu)。
• constexpr 構(gòu)造函數(shù)：C++11 及以上支持 constexpr 構(gòu)造函數(shù)，obj() 是 T 的值初始化（零初始化 + 默認(rèn)初始化），確保編譯期可構(gòu)造（需 T 的默認(rèn)構(gòu)造滿足 constexpr 要求或?yàn)槠椒矘?gòu)造）。
• 內(nèi)存布局：因 union 僅一個(gè)成員，constant_init<T> 的大小、對齊方式與 T 完全一致，無額外內(nèi)存開銷。

4.適用場景與代碼示例

1.適用條件（必須同時(shí)滿足）

• T 是 平凡析構(gòu)類型（std::is_trivially_destructible_v<T> 為 true），否則會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存泄漏（obj 的析構(gòu)未被調(diào)用）。
• T 需支持編譯期默認(rèn)初始化（要么是內(nèi)置類型 / POD，要么自定義 constexpr T()）。

2.典型用法

#include <type_traits>

// 原結(jié)構(gòu)體（添加靜態(tài)斷言增強(qiáng)安全性）
template<typename T>
struct constant_init {
    static_assert(std::is_trivially_destructible_v<T>, 
                  "T must be trivially destructible to avoid memory leak");
    union {
        T obj;
    };
    // C++14+ 支持 constexpr 構(gòu)造函數(shù)初始化列表
    constexpr constant_init() : obj() {}
    // 禁止隱式析構(gòu) union 成員
    ~constant_init() {}
};

// 示例1：內(nèi)置類型（編譯期初始化）
constexpr constant_init<int> ci_int; // ci_int.obj = 0（零初始化）
static_assert(ci_int.obj == 0, "compile-time check");

// 示例2：自定義 POD 類型
struct POD { int x; double y; };
constexpr constant_init<POD> ci_pod; // ci_pod.obj.x=0, ci_pod.obj.y=0.0

// 示例3：constexpr 自定義類型
struct ConstExprType {
    constexpr ConstExprType() : val(42) {}
    int val;
};
constexpr constant_init<ConstExprType> ci_cexpr;
static_assert(ci_cexpr.obj.val == 42, "compile-time check");

5.潛在風(fēng)險(xiǎn)與限制

1.非平凡析構(gòu)類型禁用

若 T 是非平凡析構(gòu)（如 std::string、std::vector），使用該結(jié)構(gòu)體將導(dǎo)致內(nèi)存泄漏（obj 的析構(gòu)函數(shù)未被調(diào)用）：

// 錯(cuò)誤示例：std::string 是非平凡析構(gòu)
constant_init<std::string> ci_str; // 構(gòu)造時(shí)初始化空字符串（運(yùn)行時(shí)）
// 析構(gòu)時(shí)未調(diào)用 std::string 的析構(gòu)，內(nèi)存泄漏

2.constexpr 失效場景

若 T 的默認(rèn)構(gòu)造不是 constexpr（如包含動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配），constant_init 的構(gòu)造函數(shù)將退化為運(yùn)行時(shí)調(diào)用，失去編譯期初始化優(yōu)勢。

3.復(fù)制 / 移動(dòng)語義缺失

默認(rèn)生成的復(fù)制構(gòu)造 / 賦值運(yùn)算符會(huì)淺拷貝 obj，若 T 需深拷貝（如自定義帶指針的類型），需手動(dòng)實(shí)現(xiàn)拷貝邏輯，否則會(huì)導(dǎo)致淺拷貝問題。

6.注意事項(xiàng)

1.添加靜態(tài)斷言（如上文示例），強(qiáng)制檢查 T 是平凡析構(gòu)類型，避免誤用。

2.手動(dòng)實(shí)現(xiàn)復(fù)制 / 移動(dòng)語義（若 T 需深拷貝）：

constexpr constant_init(const constant_init& other) : obj(other.obj) {}
constant_init& operator=(const constant_init& other) {
    obj = other.obj;
    return *this;
}

3.若需支持 C++20+，直接使用 std::optional 替代，無需自定義結(jié)構(gòu)體。

到此這篇關(guān)于C++ union 的一種妙用法的文章就介紹到這了,更多相關(guān)C++ union用法內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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