std::monostate ≠ “空”类型

C++17 存在一个不起眼的类型 std::monostate，引入背景是 std::variant 需要允许默认构造，而如果它所有的候选类型都不支持默认构造，那就可以将 std::monostate 作为第一个候选类型来避免无效状态。

一个小例子：

struct S {
    explicit S(int) {}
};

// Error: the first alternative is not default constructible.
std::variant<S> v;
// OK
std::variant<std::monostate, S> w;

因此，std::monostate 也被放到了 <variant>，定义很简单：

struct monostate {};

许多人容易把它当成是一个“空”类型，但从严格意义上来讲，它同 void 一样，是一个单值类型。

我在 C++ Adventures: Types 一文中从语言设计的层面上系统地介绍过类型的分类，C++ 并不像 Rust、Haskell、Scala 等语言那样存在真正的“空”类型。真正的“空”类型无法表示任何值，也无法被创建，所以一个以“空”类型作为参数的函数永远也无法被调用。

std::monostate 类型可以被创建，但该类型只能够包含一个值，因此它也是一个 Unit Type。单值类型只能表示一个状态，这种特殊性使其成为一个没有意义的类型。std::nullptr_t 也是这样的一种类型，不过因为它能够隐式转换成任意的指针类型，并且可以被流输出，误用的几率较大，所以不适合用来作为通用的无意义表示类型。

std::monostate 支持默认构造、拷贝构造和所有的比较操作，是一个常规类型，而 void 是由关键字声明的内置类型，它是一个不完整类型（Incomplete Type），无法创建对象。因此，虽然都是 Unit Type，但 std::monostate 存在一些特殊的使用场景。

第一，你可以用它来测试模板容器的健壮性。因为 std::monostate 不支持输出、运算、隐式转换等功能，也不包含任何成员，是最简单的常规类型，所以可以尝试以其作为模板参数实例化容器。如果没有报错，就表示容器的设计合理，没有强依赖。

第二，你可以将它作为可选模板参数的默认类型。

template<typename ExtraInfo = std::monostate>
class Data {
    // ...
    [[no_unique_address]] ExtraInfo info;
};

用户可以选择是否传递额外的信息，std::monostate 作为默认类型，不会误用、不占空间、也不会和其他类型产生冲突。

此时，往往需要结合 [[no_unique_address]] 使用，以优化基类子对象的占用空间，防止这个无意义的成员增加对象的大小。这方面可以参考文章：那些值得使用的 C++ Attributes。

第三，你可以将它作为无意义成员的替代类型。

template<bool Debug>
class S {
public:
    void log_info(const std::string& msg) {
        if constexpr (Debug) {
            log_.info(msg);
        }
    }

private:
    [[no_unique_address]] std::conditional_t<Debug, Log, std::monostate> log_;
};

这样，在非调试状态下，代码依旧可以正常编译，却不会具备真实的功能。

第四，作为线性递归的 Root 类型。在 C++ Generative Metaprogramming 一书的第 6.3.1 小节，单独写了一个 struct empty_type{} 作为线性递归继承的默认结束条件，那是为了通用性考虑。如果在 C++17 之后也有类似的需求，那么便可以直接使用已经存在的 std::monostate 类型。

也正是因为 std::monostate 的这种通用性，C++26 把它添加到了 <utility>，以避免不需要 std::variant 时引入额外的内容。同时，为了保证代码的向后兼容性，<variant> 中也并没有直接将其移除。