为何std::optional<std::unique_ptr<int>>不能作为constexpr函数返回类型？

首先看目标代码：

constexpr std::optional<std::unique_ptr<int>> test2(void) {
  return std::nullopt;
}

Clang 18（C++20标准）给出的错误如下：

[build] /.../<>/.cxx:223:47: error: constexpr function's return type 'std::optional<std::unique_ptr<int>>' is not a literal type
[build]   223 | constexpr std::optional<std::unique_ptr<int>> test2(void) {
[build]       |                                               ^
[build] /nix/store/fsb7lmhyy01flrnviwjfz3fgm53w990v-libcxx-18.1.7-dev/include/c++/v1/optional:582:7: note: 'optional<std::unique_ptr<int>>' is not literal because it has base class '__optional_move_assign_base<unique_ptr<int, default_delete<int>>>' of non-literal type
[build]   582 |     : private __optional_move_assign_base<_Tp>,

原因分析 #

• constexpr函数的返回类型必须是字面类型（literal type），这是C++标准的硬性要求。
• std::optional<std::unique_ptr<int>>不满足字面类型条件：Libcxx的std::optional实现继承了私有基类__optional_move_assign_base<_Tp>，而该基类的类型由std::unique_ptr<int>决定。
• 在C++20中，std::unique_ptr虽然支持部分constexpr操作，但它的析构函数不是constexpr，因此不属于字面类型。这导致包含它的基类也不是字面类型，最终std::optional实例也无法成为字面类型。

解决方法 #

升级到C23标准：C23将std::unique_ptr的析构函数标记为constexpr，此时std::unique_ptr成为字面类型，对应的std::optional也会满足字面类型要求，该函数即可正常编译。编译时添加选项-std=c++23即可。

可复现环境配置（Nix） #

{ pkgs ? import <nixpkgs> {} }: pkgs.mkShell {
    nativeBuildInputs = with pkgs.buildPackages; [
        # system tools
        zsh
        git
        openssl

        # basic configuration
        pkgs.llvmPackages_18.stdenv
        pkgs.llvmPackages_18.libcxx
        pkgs.llvmPackages_18.libcxxStdenv
        pkgs.llvmPackages_18.bintools
        pkgs.llvmPackages_18.clang-tools
        cmake

        # ...
    ];
}

注：将int替换为自定义类/结构体时，错误依然存在，本质原因还是std::unique_ptr的非字面类型属性导致。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者user26082724