CS106L 14

Recap

Move semantics
- 迁移数据
- 对左右值都可以使用
- 如果没有使用，则不需定义

Type Safety

之前的课程中，如下操作是错误的，如何保证编译真确且出现错误提示？

cpp 复制代码

void f(int x) {
	return x / 3;
}

f("String") // Compile Error

如下函数：

vec.back()返回最后一个元素，不删除
vec.pop_back()删除最后一个元素，但是不返回

cpp 复制代码

void removeOddsFromEnd(vector<int>& vec) {
    while(vec.back() % 2 == 1) {
		vec.pop_back();
    }
}

Problem:

如果vector为空？执行还正确吗？

如果为空，则vec.back()返回的是不确定的行为：可能是垃圾，可能是一些值，可能会引发崩溃

cpp 复制代码

void removeOddsFromEnd(vector<int>& vec) {
    while(!vec.empty() && vec.back() % 2 == 1) {
		vec.pop_back();
    }
}

Problem:

vector可能传入时为空，可能不为空，如何明确的区分这两种行为？

back的默认实现

cpp 复制代码

valueType& vector<valueType>::back() {
    return *(begin() + size() - 1);
}

当vector中没有元素时，抛出警告

cpp 复制代码

valueType& vector<valueType>::back() {
    if(empty()) throw::out_of_range;
    return *(begin() + size() - 1);
}

当不存在该类型的值时，该怎么办？back承诺返回该类型的值

cpp 复制代码

std::pair<bool, valueType&> vector<valueType>::back() {
    if(empty()) return {false, valueType()}
    return {true, *(begin() + size() - 1)};
}

Problem：

back() 仍然没有解决vector 是传入时是已经为空

valueType() 可能没有默认构造

如果默认构造函数的值随机，则符合程序要求吗？

:thinking:我们应该怎么办？

Std::optional

是一个模板类，它要么包含类型 T 的值，要么不包含任何内容（表示为 nullopt）

nullopt (可以转换为任意可选类型值的对象)!= nullptr(空指针)

.value 方法，返回所包含的值或者抛出bad_optional_access错误

.value_or(valueType val)返回包含的值或者默认值

.has_value返回包含的值存在返回true，否则返回假

cpp 复制代码

void main() {
    std::optional<int> num1 = {};
    num1 = 1;
    num1 = std::nullopt;
}

最终num1的值为空，但类型仍是std::optional<int>

cpp 复制代码

std::optional<valueType> vector<valueType>::back() {
    if(empty()){
        return {};
    }
    return *(begin() + size() - 1);
}

为解决问题：

cpp 复制代码

void removeOddsFromEnd(vector<int>& vec) {
    while(vec.back().has_value() && vec.back().value() % 2 == 1) {
		vec.pop_back();
    }
}

cpp 复制代码

void removeOddsFromEnd(vector<int>& vec) {
    while(vec.back().value_or(2) % 2 == 1) {
		vec.pop_back();
    }
}

如下次代码是错误的：

cpp 复制代码

int thisFunctionSucks(vector<int>& vec){
	return vec[0];
}

Problem:

如果vec是空怎么办？

错误，引用必须始终绑定到有效对象，而可选的不能保证

cpp 复制代码

std::optional<valueType&> 错误！！！！
vector<valueType>::operator[](size_t index){
    return *(begin() + index);
}

通过.at方法

cpp 复制代码

valueType& vector<valueType>::operator[](size_t index){
    return *(begin() + index);
}
valueType& vector<valueType>::at(size_t index){
    if(index >= size()) throw std::out_of_range;
    return *(begin() + index);
}

优点 (Pros)

更清晰的 API 设计
- 返回 std::optional<T> 明确表示"可能没有值"，比返回 nullptr 或特殊值（如 -1 或 ""）更直观。

避免未初始化值
- std::optional 默认初始化为空 (std::nullopt)，不会像 T 那样可能未定义行为。
更好的错误处理
- 结合 has_value() 或 if (opt) 显式检查是否有值，避免不必要的异常或默认值分支。

缺点 (Cons)

.value() 可能导致 bad_optional_access
- opt.value() 在 opt 为空时抛出异常，必须显式检查 has_value()，或者用 value_or(default)。
std::optional<T&> 受限
- 直接存 T& 可能导致悬垂引用（指向已销毁的对象），因此 std::optional<T&> 不常用 ，但可以用 std::reference_wrapper<T> 作为替代。
性能开销
- std::optional<T> 比直接返回 T 有额外的存储和检查开销 ，尤其是存储大对象时，相比返回 T* 或 T& 可能有性能损失。

如何避免 bad_optional_access

显式检查

cpp 复制代码

std::optional<int> opt;
if (opt) {
    std::cout << *opt << std::endl;
}

使用 value_or()

cpp 复制代码

int x = opt.value_or(42); // 如果 opt 为空，返回 42

返回 std::optional<std::reference_wrapper<T>>

cpp 复制代码

std::optional<std::reference_wrapper<int>> get_ref(std::vector<int>& v, size_t i) {
    if (i < v.size()) return v[i];  
    return std::nullopt;
}

std::optional 提高了代码的安全性和可读性，但要谨慎使用 .value()，在某些情况下，std::optional<T&> 不是最好的选择，可用 std::reference_wrapper<T> 代替。

Other

关于std::optional的其他使用方法：

.and_then(function f) 如果包含的值存在则调用 f(value)的结果，否则返回nullopt 其中f必须返回optional

transform(function f)如果包含的值存在则调用 f(value)的结果，否则返回nullopt 其中f必须返回optional<value Type>

or_else(function f)如果存在则返回值，否则返回调用 f 的结果

cpp 复制代码

void removeOddsFromEnd(vector<int>& vec){
    auto isOdd = [](optional<int> num){
        if(num)
            return num % 2 == 1;
        else
            return std::nullopt;
        //return num ? (num % 2 == 1) : {};
    };
    while(vec.back().and_then(isOdd)){
        vec.pop_back();
	}
}

其他语言的设计模式

Rust 保证内存和线程安全的系统语言

Swift Apple 的语言，专为应用程序开发而设计

JaveScript 每个人都可以使用

Recap std::optional

可以通过使用严格的类型系统来保证程序的行为！

std::optional 是一个可以实现这一点的工具：它允许返回一个值或空值，可使用 .has_value()、.value_or()、.value() 进行操作。
但它可能较为笨重且性能较低，因此 C++ 大多数 STL 数据结构 并不使用 std::optional。
然而，许多其他编程语言都会使用它！
除了在类中使用 std::optional，还可以在应用代码中合理地使用它，这也是强烈推荐的做法！

本节课主要学习了std::optinal的值可能为空，也可能没有值的概念，适用于返回值可能为空的情况。

End...