docs: address community issue feedback (#5 #338 #142 #246 #136 #303)

- const README: rewrite the space-saving claim per issue #5 follow-ups
  (constant-expression const vs #define immediates; which const qualify
  as constant expressions)
- const README: fix the class-section diagnosis per issue #338 (overload
  resolution picks the const overload; the restriction only surfaces
  once that overload is removed)
- sizeof README: virtual-inheritance result is compiler-dependent
  (GCC merges vbptr+vfptr -> 16, MSVC keeps them separate -> 32) #246
- static README: new section on internal linkage / access restriction
  with anonymous-namespace comparison #142
- 10-day practice: full problem list table + fixed day links #136
- new design_pattern/singleton/singleton_default.hpp: reusable
  thread-safe CRTP singleton template, compile+concurrency tested #303
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> 来自 [C++那些事网站](https://light-city.github.io/stories_things/modern-cpp/cpp20/cpp20-span/) 的文章,由站点同步脚本导出。
# C++20 std::span 设计与陷阱
[TOC]
## 0.初衷
在传统C/C++代码中,我们通常会使用一个指针+大小来访问数组,比如:
```cpp
void print(int* arr, int sz) {
for (int i = 0; i < sz; i++) {
// todo
}
}
```
span可以简化这一操作,变为:
```cpp
void print(std::span<int> arr) {
for (auto x : arr) {
// todo
}
}
```
那么究竟什么是span、它的使用场景以及陷阱有哪些?本节进行详细的探讨。
## 1. 何谓`span`?
在 C++20 中,`span` 是一个轻量级的、范围类型的容器,它提供了对**一段连续内存**的访问。`span` 作为一个视图(view),并不拥有其数据,而是对数据的一个简单引用,常用于替代传统的 C 风格数组或指针。它可以容纳任意类型的数组和标准容器,如 `std::vector`,并提供一种更安全、更现代的方式来处理这些数据。
其中几个关键点:
- 连续内存
- 不拥有数据
- 引用
`span` 的源码位于gcc的libstdc++-v3/include/std/span。
```cpp
template <typename _Type, size_t _Extent = dynamic_extent>
class span {};
```
`span` 类型包含两个重要的参数:
- `_Type`:元素类型。
- `Extent`:数组大小。如果为 `dynamic_extent`(默认值),表示视图的大小可以动态变化。
## 2. `span` 的动态与静态
`span` 有两种模式:静态和动态。
### 2.1 静态 `span`
静态 `span` 在编译时确定其大小,它的 `Extent` 是一个常量值。使用静态 `span` 时,我们需要在编译时知道数据的大小。
例如:
```cpp
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
std::span<int, 5> s(arr); // 静态 span,大小为 5
```
静态 `span` 的大小在编译时固定,因此可以利用编译器进行一些优化,比如边界检查的省略。但由于 `Extent` 是常量,因此静态 `span` 不能在运行时修改大小。
### 2.2 动态 `span`
动态 `span` 的大小在运行时确定,`Extent` 默认为 `dynamic_extent`。这种类型的 `span` 不要求在编译时确定大小,它可以适应任意大小的数组或容器。
例如:
```cpp
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
std::span<int> s(arr); // 动态 span,大小在运行时确定
```
动态 `span` 适用于那些无法在编译时确定大小的情况,它提供了更大的灵活性。
gcc源码里面实现比较简单,默认是一个非常大的整数(-1的无符号数),真正计算的时候是在构造的时候。
```cpp
inline constexpr size_t dynamic_extent = static_cast<size_t>(-1);
```
比如:这里会使用ranges::size设置内部大小,具体见下面代码。
```cpp
std::vector<int> data{1, 2, 3};
std::span<int> s(data);
```
设置动态大小。
```cpp
span(ranges::data(__range), ranges::size(__range))
```
## 3. `subspan`
`span` 提供了一个非常有用的成员函数 `subspan`,它允许我们从一个现有的 `span` 中提取一个子视图,而无需复制数据。这非常适用于处理大数据集时,避免不必要的内存开销。
`subspan()` 方法有两个重载:
1. 一个接受 `__offset` 和 `__count` 作为参数,其中 `__offset` 是起始位置,`__count` 是子范围的大小(默认为 `dynamic_extent`,即到原 `span` 的末尾)。
2. 另一个没有参数,基于模版实现。
```cpp
constexpr auto
subspan() const noexcept
-> span<element_type, _S_subspan_extent<_Offset, _Count>()> {}
template<size_t _Offset, size_t _Count = dynamic_extent>
[[nodiscard]]
constexpr auto
subspan() const noexcept
-> span<element_type, _S_subspan_extent<_Offset, _Count>()> {}
```
示例1:
```cpp
std::span<int> s(arr);
std::span<int> sub = s.subspan(1, 3);
```
示例2:
```cpp
std::span<int> s(arr);
auto sub = s.subspan<2, 2>();
```
## 4. 使用陷阱
虽然 `span` 是一个非常有用的工具,但在使用时也有一些常见的陷阱需要注意:
### 4.1 不要让 `span` 引用已经释放的内存
`span` 本身并不拥有数据,它只是对数据的引用。因此,如果 `span` 引用的内存被释放(例如原数组被销毁或超出作用域),那么访问该 `span` 将导致未定义行为。
例如:
```cpp
std::span<int> create_span() {
int arr[5] = {1, 2, 3, 4, 5};
return std::span<int>(arr, 5);
}
// 错误:返回的 span 引用了栈上临时变量,函数返回后 arr 被销毁
auto s = create_span();
```
为了解决这个问题,应确保 `span` 引用的数据在其生命周期内有效。可以考虑将数据持有在动态分配的内存中,或者确保数据的生命周期和 `span` 的生命周期一致。
### 4.2 改变底层数组大小时的问题
`span` 对底层数据的引用是直接的,而不是复制。当底层的数据发生变化时,`span` 本身并不会感知这些变化。因此,改变底层数组或容器的大小(例如通过重新分配内存)时,原来的 `span` 可能会变得无效。
```cpp
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4, 5};
std::span<int> s(vec); // s 引用 vec 的数据
// 改变底层容器的大小
vec.push_back(6); // vec 大小变为 6
// 这里 s 仍然引用 vec 的数据,但 vec 可能已经重新分配了内存
// 这可能导致 s 引用失效或未定义行为
```