C++ std::optional详解-薛定谔的“盒子”！

C++ std::optional详解-薛定谔的“盒子”！

• 一、std::optional详解
• • 1、什么是 `std::optional`？
  • 2、为什么需要 `std::optional`？
  • 3、核心操作与成员函数
  • • 3.1 、构造与赋值
    • 3.2、 状态检查
    • 3.3、 值访问
    • 3.4 、修改与销毁
    • 3.5、访问包含的值 (C++23 新增)
  • 4、 典型使用场景
  • 5、注意事项
  • 6、 示例代码
• 二、代码示例

一、std::optional详解

1、什么是 std::optional？

std::optional 是 C++17 引入的一个模板类，它用于表示一个 可能包含值，也可能不包含值（即为“空”） 的封装。它提供了一种类型安全、表达清晰的方式来处理那些不总是有有效结果的操作（比如查找、解析、计算等）。

• 核心思想：一个 std::optional<T> 对象要么持有一个类型为 T 的值，要么什么都不持有（表示为 std::nullopt）。
• 替代方案：在引入 std::optional 之前，通常使用特殊值（如 -1, nullptr, std::string::npos）、bool 标志位加一个值变量、或返回指针（可能为 nullptr）等方式来表示可选值。std::optional 提供了一种更标准、更安全、更易于理解的方式。

2、为什么需要 std::optional？

• 类型安全：明确区分有值和无值的状态，编译器可以检查，避免误用无效值。
• 表达清晰：代码意图更明确，看到 std::optional 就知道这个值可能不存在。
• 避免魔术值：不再需要使用特定的、有时难以记忆或容易混淆的“无效值”来表示缺失。
• 更好的接口设计：函数可以清晰地返回一个可能不存在的结果，而不是通过输出参数或异常（在某些场景下异常可能太重）来传递状态。
• 效率：通常，std::optional<T> 的内存占用是 sizeof(T) + sizeof(bool) 加上可能的对齐填充。它通常比使用动态内存分配（如 std::unique_ptr）更轻量。

3、核心操作与成员函数

3.1 、构造与赋值

• 默认构造：创建一个不包含值的 optional 对象（空状态）。std::optional<int> optInt; // 空的 optional
• std::nullopt 构造：显式构造一个空 optional。std::optional<std::string> optStr = std::nullopt;
• 值初始化：用给定的值构造一个包含该值的 optional。std::optional<double> optDbl(3.14159); // 包含 pi
• std::in_place 构造：用于直接原地构造包含的对象，特别是当 T 的构造函数需要多个参数，或者你想避免临时对象时。std::optional<std::complex<double>> optComplex(std::in_place, 1.0, 2.0); // 构造 complex(1.0, 2.0)
• 拷贝/移动构造与赋值：支持从另一个 optional 拷贝或移动。
• 赋值：可以使用 = 来赋值一个值、std::nullopt 或另一个 optional。optInt = 42; // 现在包含 42
  optInt = std::nullopt; // 变为空

3.2、 状态检查

• has_value() / operator bool：检查 optional 是否包含值。两者通常等价。if (optInt.has_value()) { /* 有值 */ }
  if (optInt) { /* 有值，常用这种简洁写法 */ }
• operator == std::nullopt：检查是否为空。if (optStr == std::nullopt) { /* 空 */ }

3.3、 值访问

警告：在 optional 为空时访问其值是未定义行为（通常会导致程序崩溃或不可预知的结果）。访问前必须检查是否有值。

• value()：返回包含值的引用。如果为空，则抛出 std::bad_optional_access 异常。try {
  int x = optInt.value(); // 安全访问，可能抛异常
  } catch (const std::bad_optional_access& e) {
  // 处理空的情况
  }
• operator*：返回包含值的引用。不检查是否为空！仅在确定有值时使用。if (optDbl) {
  double y = *optDbl; // 解引用访问
  }
• operator->：返回指向包含值的指针。不检查是否为空！仅在确定有值时使用。std::optional<std::vector<int>> optVec;
  // … 可能给 optVec 赋值一个 vector …
  if (optVec) {
  size_t sz = optVec->size(); // 使用 -> 访问成员
  }
• value_or(U&& default_value)：如果包含值，则返回该值；否则返回提供的 default_value。这是安全获取值的便捷方式。int safeValue = optInt.value_or(–1); // 如果 optInt 为空，则返回 -1

3.4 、修改与销毁

• emplace(args…)：在原地构造一个新值（替换当前可能存在的值）。参数 args… 传递给 T 的构造函数。optStr.emplace("Hello, Optional!"); // 构造一个 string
• reset()：销毁包含的值（如果存在），并将 optional 置为空状态。等价于 opt = std::nullopt;。optComplex.reset(); // 现在为空
• swap：交换两个 optional 对象的内容。

3.5、访问包含的值 (C++23 新增)

• and_then：如果包含值，则应用给定的函数到该值上（该函数应返回另一个 optional），否则返回空 optional。用于链式调用。
• transform：如果包含值，则应用给定的函数到该值上（该函数返回一个新类型的值），并将结果包装在 optional 中返回；否则返回空 optional。
• or_else：如果为空，则调用给定的函数（该函数应返回一个 optional），否则返回当前 optional。

4、 典型使用场景

5、注意事项

• 访问前检查：这是最重要的规则！永远不要对可能为空的 optional 使用 operator* 或 operator->。优先考虑 value_or 或先检查 has_value()/operator bool。
• 性能：std::optional 通常没有动态内存分配的开销。其大小通常是 sizeof(T) + sizeof(bool) 加上可能的对齐填充。对于小对象，效率很高。
• 与 std::variant 的区别：std::optional<T> 可以看作是 std::variant<std::monostate, T> 的一个特例和简化。std::variant 用于表示多个可能类型中的一个。
• 与 std::expected (C++23提案) 的区别：std::expected<T, E> 用于表示一个可能包含值 T 或错误 E 的结果，比 optional 能携带更多错误信息。

6、 示例代码

#include <optional>
#include <iostream>
#include <string>

std::optional<std::string> create_greeting(bool formal) {
if (formal) {
return "Good day"; // 包含值
}
return std::nullopt; // 无问候语
}

int main() {
auto greetingOpt = create_greeting(true);

// 检查并安全访问
if (greetingOpt) {
std::cout << *greetingOpt << ", Sir/Madam!" << std::endl;
}
else {
std::cout << "No greeting today." << std::endl;
}

// 使用 value_or
std::cout << "Greeting: " << greetingOpt.value_or("(none)") << std::endl;

// 尝试访问空 optional (危险!)
auto emptyOpt = create_greeting(false);
if (emptyOpt) {
std::cout << *greetingOpt << ", Tom/Jake!" << std::endl;
}
else {
std::cout << "No greeting today." << std::endl;
}

return 0;
}

运行结果：

二、代码示例

#include <iostream>
#include <optional>

int main() {
// 创建一个 std::optional<int> 变量，初始化为空
std::optional<int> maybe_value;

// 检查值是否存在
if (maybe_value.has_value()) {
std::cout << "Value: " << maybe_value.value() << std::endl;
} else {
std::cout << "No value present" << std::endl;
}

// 设置值
maybe_value = 10; // 现在包含值 10

// 再次检查
if (maybe_value) { // 使用布尔上下文检查
std::cout << "Value after assignment: " << *maybe_value << std::endl; // 使用解引用操作符
}

// 重置为无值
maybe_value.reset();

// 尝试访问值（可能抛出 std::bad_optional_access 异常）
try {
std::cout << "Value after reset: " << maybe_value.value() << std::endl;
} catch (const std::bad_optional_access& e) {
std::cout << "Error: " << e.what() << std::endl;
}

return 0;
}

运行结果

No value present
Value after assignment: 10
Value after reset: Error: Bad optional access

C:\\Users\\徐鹏\\Desktop\\新建文件夹\\Project1\\x64\\Debug\\Project1.exe (进程 10380)已退出，代码为 0 (0x0)。
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