std::any 的性能开销：基于 libstd++ 源码分析

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C++17 中引入了 std::any，可以非常方便地将任意类型的变量放到其中，做到安全的类型擦除。然而万物皆有代价，这种灵活性背后必然伴随着性能取舍。

std::any 的实现本身也并不复杂，本文将基于 libstd++ 标准库源码 深入解析其实现机制与性能开销。

代价

底层存储

std::any 需要解决的核心问题在于：

  1. 异构数据存储：如何统一管理不同尺寸的对象
  2. 类型安全访问：如何在擦除类型信息后仍能提供安全的类型查询。例如可以直接通过 std::any 提供的 type() 函数，直接获取到底层数据的类型信息。

从 libstd++ 源码中提取的关键类结构如下

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class any {
 _Storage _M_storage;

 void (*_M_manager)(_Op, const any*, _Arg*);
}

可以看到有两个核心变量：

  • _M_storage：负责存储数据值本身或者指针。
  • _M_manager ：函数指针，负责指向具体类型 template class 的实现，其中包含了类型信息。

我们先看 _M_storage 的实现：

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union _Storage
{
	void* _M_ptr;
	unsigned char _M_buffer[sizeof(_M_ptr)];
};

_Storage 类是一个 union 实现。里面包含两个属性：_M_ptr 和长度为 sizeof(_M_ptr) 的 char 数组 _M_buffer。即长度为指针大小，在 64 位机器下，_M_buffer 的长度是 8。

那么，在什么情况下分别使用 _M_ptr 和 _M_buffer 呢？主要通过以下模板变量进行编译期决策。

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template<typename _Tp, typename _Safe = is_nothrow_move_constructible<_Tp>, bool _Fits = (sizeof(_Tp) <= sizeof(_Storage)) && (alignof(_Tp) <= alignof(_Storage))>
using _Internal = std::integral_constant<bool, _Safe::value && _Fits>;

简单来说：_Tp 可以无异常移动构造 && _Tp 能完全放入 _Storage 中 。

这是一个非常典型的 SOO（Small Object Optimization 小对象优化）。即：对于小尺寸对象，直接在容器自身的连续内存中 (通常为栈内存) 完成存储，这样可以避免在堆上开辟新的内存。

因此：

  • 对于小尺寸对象（≤指针大小），直接在 _M_buffer 中通过 placement new 创建对象。避免堆内存分配带来的性能开销，提升 CPU 缓存局部性（对高频访问的场景尤为重要）。
  • 对于大尺寸对象，直接在堆上通过 new 申请内存，_M_storage 存储对应的指针。

但这个内存结构的设计，也存在着潜在的内存浪费：union 的内存等于最大字段的内存，因此即使在 std::any 中存储 1 字节的 char 类型变量，_M_storage 也需要 8 字节。

另外，我们发现在 _Storage 并未存储任何类型信息。但我们可以通过 std::any 的 type() 函数获取到对应的类型信息。这是如何做到呢？

接下来，我们看 _M_manager 的实现：
std::any 的做法非常巧妙，将所有需要类型信息的操作，都通过一个 template class 的 static 函数来实现。std::any 对象中只存储这个函数的指针，即 void (*_M_manager)(_Op, const any*, _Arg*)。

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template<typename _Tp>
struct _Manager_internal
{
 static void
	_S_manage(_Op __which, const any* __anyp, _Arg* __arg);
};

以 std::any 的 type() 函数实现为例, 代码如下：

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const type_info& type() const noexcept
{
	_Arg __arg;
	_M_manager(_Op_get_type_info, this, &__arg);
	return *__arg._M_typeinfo;
}

template<typename _Tp>
void
any::_Manager_internal<_Tp>::
_S_manage(_Op __which, const any* __any, _Arg* __arg)
{
	switch (__which)
	{
	case _Op_get_type_info:
	__arg->_M_typeinfo = &typeid(_Tp);
	break;
	}
}

我们可以看到，通过_M_manager找到对应template class的具体实现，直接调用typeid(_Tp)就可以获取到对应的 typeinfo 信息了。

但值得注意的是，在调用 _M_manager 函数的时候，额外传递了一个 enum 值 _Op_get_type_info。

这是 std::any 的特殊设计，通过枚举值区分不同的逻辑，将所有需要类型信息的操作都整合到一个函数入口。这样做仅用一个函数指针即可，可以节省内存开销。

总结

虽然 std::any 提供了极大的灵活性，且绝大部分场景下性能也够用。但根据我们对源码的深入分析，发现 std::any 的设计特点必然会带来一些额外的开销：

  1. 内存开销：在 64 位机器下固定占用 16 byte 空间（8 字节的_M_storage 和 8 字节的_M_manager 函数指针）。存储 1 字节数据时空间利用率仅 6.25%；
  2. 性能开销：小对象直接栈存储，对于大对象会触发堆分配。