C++17中的std::optional的具體使用

更新時間：2021年01月13日 11:23:55 作者：hzSomthing

這篇文章主要介紹了C++17中的std::optional的具體使用，文中通過示例代碼介紹的非常詳細(xì)，對大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價值，需要的朋友們下面隨著小編來一起學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)吧

直入主題

本篇之中，僅僅述及 std::optional ，其它和 variant 相關(guān)的話題以后再說吧。

std::optional 也劃入 variant 類別中，其實它還是談不上可稱為變體類型的，但新版本中的三大件（optional，any and variant）也可以歸一類無妨。

C++17 之前

在 C 時代以及早期 C++ 時代，語法層面支持的 nullable 類型可以采用指針方式： T* ，如果指針為 NULL （C++11 之后則使用 nullptr ）就表示無值狀態(tài)（empty value）。

typedef template <typename T> T* NullableT;
NullableT<int> pInt = nullptr;

為了更好地使用這個類別而不是總是采用指針，需要對其進(jìn)行封裝。下面給出一個示例（但并未完善）：

// 使用 C++11 語法
namespace cmdr {
 template<typename T>
 class Nullable {
 public:
  Nullable() = default;

  virtual ~Nullable(){ if (_value) delete _value; }

 public:
  Nullable(const Nullable &o) { _copy(o); }

  Nullable &operator=(const Nullable &o) {
   _copy(o);
   return *this;
  }

  Nullable &operator=(const T &o) {
   this->_value = o;
   return *this;
  }

 private:
  void _copy(const Nullable &o) {
   this->_value = o._value;
  }

 public:
  T &val() { return *_value; }

  const T &val() const { return *_value; }

  void val(T &&v) {
   if (!_value)
    _value = new T;
   (*_value) = v;
  }

  explicit operator T() const { return val(); }

  explicit operator T() { return val(); }

  // operator ->
  // operator *
  
  [[nodiscard]] bool is_null() const { return !_value; }
  
 private:
  T *_value{nullptr};
 };// class Nullable<T>
}

所以，這個 Nullable<T> 現(xiàn)在很像 C# 或者 Kotlin 中的 T?。使用它和直接使用 T 差不多，只是隱含著 new/delete 的額外開銷，當(dāng)然我們也可以采用別的實現(xiàn)方案例如增加一個額外的 bool 成員變量來表示是否尚未賦值，這樣就可以去掉 heap allocating 開銷，孰優(yōu)孰劣也未必可以計較。

std::optional in C++17

std::optional 類似于 Nullable<T> 和 std::variant 的聯(lián)合體，它管理一個 Nullable 變體類型。

但它和 Nullable<T> 不同之處在于，optional 實現(xiàn)的更為精煉和全面：Nullable 是剛才我手寫的，甚至沒經(jīng)過編譯器檢驗，也缺乏大多數(shù)重載以及構(gòu)造特性。optional 在構(gòu)造對象的開銷方面比 Nullable 好無數(shù)倍，因為它能夠利用原位構(gòu)造特性使得自身的開銷趨向于 0 而只需要 T 對象的構(gòu)造開銷，而 Nullable 為了表達(dá)出早期（C++03）的狀態(tài)直接采用了 new/delete 來簡化代碼。

如果想要改進(jìn)前文中 Nullable<T> 的實現(xiàn)，使其和 optional 一樣地完善，則需要關(guān)注如下幾點：

去掉 new / delete 機(jī)制，考慮采用一個空結(jié)構(gòu)來表達(dá)尚未賦值的狀態(tài)：事實上，optional 使用了 std::nullopt_t 來表述該狀態(tài)。
完善操作符重載
加入 swap 特性支持
加入原位構(gòu)造特性支持

optional 和 variant 也不同，variant 是提前確定好一組可選的類型，你只能在這一組類型中進(jìn)行變換，而 optional 是具體化到一個特定類型的，你不能動態(tài)地將不同類型的值賦予 optional 的變量。

optional 從語法意義上來說，就是一個完美版的 Nullable<T> ，你可以將其和 Kotlin 的可空類型等價。

使用

我們可以以多種方式來構(gòu)造、聲明 optional 的變量，最原始的方式是在構(gòu)造參數(shù)時傳入值對象：

std::optional<int> opt_int(72);
std::optional opt_int2(8);
std::optional opt_int2(std::string("a string"));

使用 std::make_optional<T> 是比較 meaningful 的一種，而且也是更整潔的原位構(gòu)造：

auto opt_double = std::make_optional(3.14);
auto opt_complex = std::make_optional<std::complex<double>>(3.0, 4.0);
std::optional<std::complex<double>> opt_complex2{std::in_place, 3.0, 4.0};

使用原位構(gòu)造

// constructing a string in-place
std::optional<std::string> o1(std::in_place, "a string");
// with a repeated spaces
std::optional<std::string> o1(std::in_place, 8, ' ');

has_value 可以用于測試有沒有值，是否尚未賦值：

auto x = std::make_optional(9);
std::optional<int> y;
assert(x.hash_value() == true);
assert(y.hash_value() == false);

std::cout << x.value();
std::cout << y.value_or(0);

value() 和 value_or() 是抽出 T 值的方法，含義明顯，不必贅述。當(dāng)無值或者類型不能轉(zhuǎn)換時，value() 有可能拋出異常 std::bad_optional_access，如果想要避免則可以使用 value_or。

對于復(fù)合對象來說，原位構(gòu)造方式賦值 emplace 也是可用的。同樣地也可以善加利用 swap。

應(yīng)用

optional 相當(dāng)于一個全類型的 Nullable 類型，所以在運用工廠模式時將其作為創(chuàng)建器的返回值將會是非常適合的選擇，好過無包裝的 T* 或者智能指針。因為當(dāng)你使用智能指針的工廠模式時，創(chuàng)建器只能創(chuàng)建基于一個公共基類的實例，所以受制較多。但采用 optional 時則不會收到基類指針的限制。

下面是來自于 cppreference 的示例：

#include <string>
#include <functional>
#include <iostream>
#include <optional>
 
// optional 可用作可能失敗的工廠的返回類型
std::optional<std::string> create(bool b) {
 if(b)
  return "Godzilla";
 else
  return {};
}
 
// 能用 std::nullopt 創(chuàng)建任何（空的） std::optional
auto create2(bool b) {
 return b ? std::optional<std::string>{"Godzilla"} : std::nullopt;
}
 
// std::reference_wrapper 可用于返回引用
auto create_ref(bool b) {
 static std::string value = "Godzilla";
 return b ? std::optional<std::reference_wrapper<std::string>>{value}
    : std::nullopt;
}
 
int main()
{
 std::cout << "create(false) returned "
    << create(false).value_or("empty") << '\n';
 
 // 返回 optional 的工廠函數(shù)可用作 while 和 if 的條件
 if (auto str = create2(true)) {
  std::cout << "create2(true) returned " << *str << '\n';
 }
 
 if (auto str = create_ref(true)) {
  // 用 get() 訪問 reference_wrapper 的值
  std::cout << "create_ref(true) returned " << str->get() << '\n';
  str->get() = "Mothra";
  std::cout << "modifying it changed it to " << str->get() << '\n';
 }
}

// Output
create(false) returned empty
create2(true) returned Godzilla
create_ref(true) returned Godzilla
modifying it changed it to Mothra

此外，在搜索算法中返回搜索結(jié)果或者返回沒找到狀態(tài)，可以不必使用 bool 加上 search::result 了，可以直接返回 std::optional<search::result>。

這樣的設(shè)計策略完全可以產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。從有潔癖的我的心態(tài)出發(fā)，大多數(shù)類庫都可以據(jù)此重新改寫，從而得到更簡練、更 meaningful 的接口。而更富有表達(dá)力的接口反過來也能影響到算法的實現(xiàn)部分，它們將會變得更易讀，更可維護(hù)。

那些 Machine Learning 算法，寫出來如同天書一般，但借助新的手段重構(gòu)的話，有望可以增進(jìn)理解程度。

所以，像 C# 具有了 Nullable 類型幾十年（稍稍有點夸張）了之后，C++17 才正式支持 std::optional 實在是相當(dāng)操蛋的一件事情。

和 Kotlin 比較Permalink

和 Kotlin 相比較的話，現(xiàn)階段的 optional 不但冗長，而且缺乏一大組閉包工具（let，apply，類型診斷，空安全）。多數(shù)人將這些工具稱作語法糖，但我更希望它們被視為必需品。下面是一段 Kotlin 的代碼塊，可以看出整體上它們的簡練性，而 std::optional 嘛，實際上還差得遠(yuǎn)，看起來也不可能趕得上了：

if (obj is String!!) { // 對于 String? obj 也一樣生效，自動升級為非空版本
 print(obj.length)
}

if (obj !is String) { // 與 !(obj is String) 相同
 print("Not a String")
} else {
 print(obj.length)
}

fun demo(x: Any) {
 if (x is String) {
  print(x.length) // x 自動轉(zhuǎn)換為字符串
 }
}

when (x) {
 is Int -> print(x + 1)
 is String -> print(x.length + 1)
 is IntArray -> print(x.sum())
}

// 可空類型的集合
val nullableList: List<Int?> = listOf(1, 2, null, 4)
val intList: List<Int> = nullableList.filterNotNull()

// 可空類型的簡化診斷代碼塊
Int? zz = 8;
zz?.let {
 sum += it // 僅當(dāng) zz 非空時， 塊內(nèi)才被執(zhí)行，it 表示 zz 的非空版
}

Kotlin 的這套語法機(jī)制真的是讓人如同吃了人參果，無一個毛孔不舒服。但是它的實現(xiàn)機(jī)制是低代價而非無代價的，從這一點上來說，C++ 將不可能采納等效的新語法，只能使用 std::optional<T> 這樣的老奶奶裹腳布方案了。但它至少比沒有的好。

小結(jié)

通過和 Kotlin 的比較，我們不無悲哀地看到，比較于 C++11 甚至于 C++98，optional 固然是個提升，然而受制于 C++ 標(biāo)準(zhǔn)委員會以及歷史包袱的原因，簡練有效的表達(dá)方式在現(xiàn)在不可能，在未來的 C++2x, 3x 中也應(yīng)該是行不通的。