【C++】optional的使用（一）

news2024/10/6 8:24:00

这篇文章介绍下C++17引入的std::optional

为什么要有 optional

一般来说，如果想要一个函数返回“多个”值，C++程序员倾向于使用结构体/类完成这个操作。即定义一个通用的结构体，在函数内部完成装填，然后返回一个实例化的结构体。

#include <iostream>

using namespace std;

struct Out {
    string out1 { "" };
    string out2 { "" };
};

pair<bool, Out> func(const string& in) {
    Out o;
    if (in.size() == 0)
        return { false, o };
    o.out1 = "hello";
    o.out2 = "world";
    return { true, o };
}

int main() {
    if (auto [status, o] = func("hi"); status) {
        cout << o.out1 << endl;
        cout << o.out2 << endl;
    }
    return 0;
}

（代码来自 https://zhuanlan.zhihu.com/p/64985296）

C++17引入了std::optional，介绍如下：

The class template std::optional manages an optional contained value,
i.e. a value that may or may not be present. A common use case for
optional is the return value of a function that may fail. As opposed
to other approaches, such as std::pair<T,bool>, optional handles
expensive-to-construct objects well and is more readable, as the
intent is expressed explicitly. 类模板 std::optional
管理一个可选的容纳值，即可以存在也可以不存在的值。一种常见的 optional 使用情况是一个可能失败的函数的返回值。与其他手段，如
std::pair<T,bool> 相比， optional 良好地处理构造开销高昂的对象，并更加可读，因为它显式表达意图。

换句话说，一个普通的变量，只有不同的值。而optional相当于在外面套了一层壳，先考虑存不存在值，再考虑值是多少。

使用

对于像我这样的菜鸟来说，optional 的源代码十分复杂的。但是使用起来并不困难，理解上面的含义就行。

  /**
    * @brief Class template for optional values.
    */
  template<typename _Tp>
    class optional
    : private _Optional_base<_Tp>,
      private _Enable_copy_move<
	// Copy constructor.
	is_copy_constructible_v<_Tp>,
	// Copy assignment.
	__and_v<is_copy_constructible<_Tp>, is_copy_assignable<_Tp>>,
	// Move constructor.
	is_move_constructible_v<_Tp>,
	// Move assignment.
	__and_v<is_move_constructible<_Tp>, is_move_assignable<_Tp>>,
	// Unique tag type.

可以看到，本质上其实是个模板类，将包裹的类型以模板参数T的方式传入。

初始化

optional几种初始化如下：

    //初始化为空
    optional<int> int_empty;
    //使用有效值初始化（C++其他初始化方法也同样可用）
    optional<int> my_int = 2;
    //使用make_optional
    auto doubleOpt = std::make_optional(10.0);
    auto complexOpt = std::make_optional<std::complex<double>>(3.0, 4.0);
    //使用in_place
    optional<vector<int>> vectorOpt{in_place, {1, 2, 3}};
    //使用其它optional对象复制/移动构造
    auto optCopied = vectorOpt;

说一下第三点和第四点，就是这个std::make_optional和std::in_place。我搜到的资料显示这代表直接调用模板T的构造函数，即“完美转发”。

假设我有这么一个类 TestOp：

struct TestOp
{
    TestOp() : age(100) {}
    int getAge() { return age; }

private:
    int age;
};

它有一个无参数的构造函数，但这个构造函数为成员赋默认值。这时，若使用如下写法

    optional<TestOp> test_op;
    cout << test_op.value().getAge() << endl;

会编译失败。因为optional并不会调用TestOp的默认构造函数，只会创建一个空的TestOp对象。

这让我非常不理解，因为就算是未传入参数，应该调用T的默认构造函数才对。
你可能想到，如果初始化时直接传入构造函数呢？

    optional<TestOp> test_op{TestOp()};

这样写当然没问题，我们将得到包含默认TestOp对象的optional对象。但是在上面的代码中，将先构造出一个TestOp的临时对象，然后调用move函数将这个临时对象“移动”到optional存储的对象中，带来了额外的开销。在这种情况下，我们就只能使用std::in_place/ std::make_optional来“原地”构造optional底层存储的对象。

另一种情况是，TestOp禁用了移动构造和复制构造函数，这时候也只能用std::in_place/ std::make_optional。

最后一种必须使用std::in_place/ std::make_optional的情况是，当你需要使用多个参数初始化同一个变量时，比如std::vector。没错，原生的 optional构造函数，并不支持多参数，神奇吧？

我猜想多参数的支持会导致歧义。