C++(25): C++17探索：std::optional

1. 概述

std::optional是C++17标准引入的一个新的标准库组件。这是一个轻量级的容器，旨在以类型安全的方式包装可能为空的值。std::optional为处理可能缺失的数据提供了一种优雅而简洁的方法，这在以往通常需要使用专门的"存在"标志或复杂的错误处理机制。

简单点讲，std::optional在使用上并不复杂，主要用来替代那些需要返回NULL，或以返回-1表示错误等的场合。这样做最直观的一个改进就是易读性增强了。

2. 为什么需要std::optional？

在C++中，函数通常返回一个值或者在失败时返回一个特殊值（如NULL或-1）。这种方法存在几个问题：

（1）类型不安全：返回特殊值通常意味着函数返回的类型与实际返回值的类型不一致，这可能导致类型安全问题。

（2）语义不明确：使用特殊值来表示错误状态可能会与合法的返回值冲突。

（3）错误处理复杂：调用者需要检查返回的特殊值，并进行额外的错误处理。

std::optional提供了一种更好的解决方案，它允许函数明确地表达它们可能不返回有效值的情况。

3. std::optional的基本概念

std::optional<T>是一个模板类，其中T是被包装的值的类型。它包含以下两个主要状态：

无值状态：表示不包含有效的T类型对象。

有值状态：包含一个有效的T类型对象。

4. 使用std::optional

（1）构造

cpp 复制代码

std::optional<int> opt;         // 默认构造，无值状态

std::optional<int> opt(10);     // 有值状态，包含值10

（2）有无值判断has_value()

返回一个布尔类型，如果当前容器是有值状态，返回true，否则返回false。

使用方法如下：

cpp 复制代码

if (opt.has_value()) {

    // opt包含一个值

}

需要注意的是，当我们想要访问std::optional类型的值时，需要先判断是否有值，否则会出现未定义行为。

（3）使用operator*或value()访问存储的值

首先我们需要判断是否有值，然后再进行访问。

或者添加异常捕获单元。

cpp 复制代码

#include <optional>

#include <iostream>


int main(int argc, char* argv[])

{

    std::optional<int> opt(10);

    if (opt) {

        std::cout << "Value: " << *opt << std::endl; ///< 输出 10

    }

    return 0;

}

或

cpp 复制代码

int main(int argc, char* argv[])

{

    std::optional<int> opt;


    try {

        int value = opt.value(); ///< 这里会抛出异常

    } catch (const std::bad_optional_access& e) {

        std::cerr << "Exception: " << e.what() << std::endl;

    }

    return 0;

}

（4）value_or(T default)：返回存储的值，如果std::optional处于无值状态，则返回提供的默认值。

cpp 复制代码

int value = opt.value_or(-1);  ///< 返回10，如果opt无值则返回-1

（5）reset()：将std::optional重置为无值状态。

cpp 复制代码

opt.reset();  ///< opt变为无值状态

（6）emplace()：在原地构造一个新值，如果std::optional已经有值，则先销毁旧值。

cpp 复制代码

opt.emplace(20);  // opt现在包含20