如何统一访问可选存在的类成员？兼顾无冗余与透明性

背景 #

处理GB级大数据时，我通过索引访问数据数组。由于直接访问数据会导致缓存效率低下，希望将部分数据与索引一起缓存，以此大幅提升基于索引的操作速度。缓存数据量为编译期可配置选项，包含缓存量为0的情况；同时因为需要创建大量索引，不希望像std::array那样在缓存量为0时支付额外的“空元素”开销。

现有方案1：虚拟静态std::array特化 #

我的首个思路是通过结构体特化，在缓存量为0的版本中引入虚拟静态std::array，保证data字段的访问透明性：

#include <array>

using data_type = int;

template<std::size_t _data_size>
struct ExtendableIndex
{
    std::size_t index;
    std::array<data_type, _data_size> data;
};

template<>
struct ExtendableIndex<0>
{
    std::size_t index;
    constexpr static std::array<data_type, 0> data;     // 虚拟静态对象保证data访问的透明性
};

constexpr std::array<data_type, 0> ExtendableIndex<0>::data;

constexpr std::size_t cache_length = 0;     // 可设置为任意缓存大小，包括0
using DefaultIndex = ExtendableIndex<cache_length>;
     
void data_user(const DefaultIndex& index)
{
    auto value = index.data.begin(); // 若无虚拟静态对象，ExtendableIndex<0>版本无法编译
}

int main()
{
    ExtendableIndex<cache_length> index_one;
    data_user(index_one);
}

该方案运行正常，核心优势是所有处理data字段的算法无需区分缓存量是否为0，访问完全透明。

现有方案2：模板特化+访问方法/模板处理函数 #

Aedoro在回答相关问题时提供了另一种方案，通过类特化避免了虚拟静态成员，改用访问方法或模板化的处理函数解决问题：

#include <array>

using data_type = int;

template<std::size_t _data_size>
class ExtendableIndex
{
public:
    constexpr static std::size_t data_size = _data_size;

    data_type& at(std::size_t idx) { return data[idx]; }

    std::size_t index;
    std::array<data_type, _data_size> data;
};

template<>
class ExtendableIndex<0>
{
public:
    constexpr static std::size_t data_size = 0;

    data_type& at(std::size_t idx);

    std::size_t index;
};

using DefaultIndex = ExtendableIndex<0>;

class DataUser
{
public:

    void process(DefaultIndex& index)
    {
        if constexpr (DefaultIndex::data_size > 0)
        {
            // auto value = index.data[0]; // 此写法无法编译
            auto value = index.at(0); // 用at()方法规避问题，无需实现该方法
        }
    }

    template<std::size_t _data_size>
    void process_template(ExtendableIndex<_data_size>& index)
    {
        if constexpr (DefaultIndex::data_size > 0)
        {
            auto value = index.data[0]; // 模板化处理函数下，即使data不存在也能编译
        }
    }

};

int main()
{
    DataUser r;
    ExtendableIndex<0> index_zero;

    r.process(index_zero);
    r.process_template(index_zero);

    ExtendableIndex<1> index_one;
    r.process_template(index_one);
}

该方案避免了虚拟静态对象的开销，但缺乏访问透明性：当处理逻辑规模大且频繁使用data时，需要编写大量if constexpr分支，还会影响依赖||和&&惰性求值的复杂条件。

疑问 #

是否存在第三种方案？能否像方案1一样实现data字段的透明访问，同时无需虚拟静态对象，且最好不用包装data字段的访问方法？

我知道可以对处理逻辑做功能分解，提取处理data的代码并制作带if constexpr的模板，但这种做法有时难度大，还容易导致代码重复，同时需要保留||和&&的惰性求值特性。

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