使用std::any代替std::shared_ptr<void>和void *

大家在编写程序的时候应该遇到过这样一个场景，该场景需要传递某种数据，但是数据类型和数据大小并不确定，这种时候我们常用void *类型的变量来保存对象指针。例如：

struct SomeData { 
  // ... 
  void* user_data; 
};

上面的结构体只是一个示例，代表有的数据是用户产生的。当用户数据是一个字符串时，可能的代码是：

SomeData sd{};
sd.user_data = new std::string{ "hello world" };

另外，使用void*存储数据需要了解数据类型，并且需要自己维护数据的生命周期：

std::string *str = static_cast<std::string *>(sd.user_data);
delete str;
str = nullptr;

使用std::shared_ptr<void>可以解决生命周期的问题：

struct SomeData {
    // ... 
    std::shared_ptr<void> user_data;
};

SomeData sd{};
sd.user_data = std::make_shared<std::string>("hello world");

auto ud = std::static_pointer_cast<std::string>(sd.user_data);

虽然std::shared_ptr<void>可以用于管理生命周期，但是类型安全的问题却无法解决。比如当user_data销毁时，由于缺乏类型信息会导致对象无法正确析构。

为了解决以上这些问题，C++17标准库引入std::any。顾名思义就是可以存储任意类型，我们可以将其理解为带有类型信息的void*。例如：

struct any {
 void* object;
 type_info tinfo;
};

当然，std::any的实现比这个要复杂的多，我们后面再讨论类型是如何被记录下来的。先来看看std::any的用法：

#include <iostream>
#include <string>
#include <any>

int main()
{
    std::any a;
    a = std::string{ "hello world" };
    auto str = std::any_cast<std::string>(a);
    std::cout << str;
}

除了转换为对象本身，还可以转换为引用：

auto& str1 = std::any_cast<std::string&>(a);
auto& str2 = std::any_cast<const std::string&>(a);

当转换类型不正确时，std::any_cast会抛出异常std::bad_any_cast：

try {
    std::cout << std::any_cast<double>(a) << "\n";
}
catch (const std::bad_any_cast&) {
    std::cout << "Wrong Type!";
}

如果转换的不是对象而是对象指针，那么std::any_cast不会抛出异常，而是返回空指针

auto* ptr = std::any_cast<std::string>(&a);
if(ptr) {
 std::cout << *ptr;
} else {
 std::cout << "Wrong Type!";
}

请注意，使用std::any_cast转换类型必须和std::any对象的存储类型完全一致，否则同样会抛出异常，即使两者是继承关系。原因很简单，std::any_cast是直接使用type_info作比较：

const type_info* const _Info = _TypeInfo();
if (!_Info || *_Info != typeid(_Decayed)) {
    return nullptr;
}

最后简单描述一下std::any保证类型安全的原理：

首先是类型转换，刚刚已经提到了，std::any会记录对象的type_info，std::any_cast使用type_info作比较，只有完全一致才能进行转换。

其次为了保证类型正确的拷贝，移动以及生命周期结束时能够正确析构，在创建std::any对象时生成一些函数模板实例，这些函数模板调用了类型的拷贝，移动以及析构函数。std::any只需要记录这些函数模板实例的指针即可。拿析构简单举例：

template <class T>
void destroy_impl(void* const p)
{
    delete static_cast<T*>(p);
}

using destory_ptr = void (*)(void* const);

struct AnyMetadata {
    destory_ptr func;
    ...
};

template<class T>
void create_anymeta(AnyMetadata &meta)
{
    meta.func = destroy_impl<T>;
}

// any构造时知道目标对象类型，此时可以保存函数指针
AnyMetadata metadata;
create_anymeta<std::string>(metadata);

// any销毁时调用
metadata.func(obj);