C++的optional解析

optional用法

1 问题引出

编程中我们可能会遇到要处理可能为空的变量，比如说容器，基本类型，或者说对象实例，我们简单看个例子：

#include 
#include 
#include 

struct Some
{
    int some_i_ = 0;
    std::string some_str_;
};

Some
getSome(const std::vector& svec, 
        int i)
{
    auto iter = 
      std::find_if(svec.begin(), svec.end(), 
        [i](const Some& s) {
          return s.some_i_ == i;
        }
      );

    if (iter != svec.end()) {
        return *iter;
    }

    return Some();
}

int main()
{
    std::vector someVec;
    someVec.push_back({1, "1"});
    Some s = getSome(someVec, 1);
    s = getSome(someVec, 2);
    return 0;
}

这里代码很简单，我们根据条件获取vector中一个元素，这个元素是个结构体，当满足条件时可以返回，但是没有找到时仍然要返回一个对象，到我们main函数甚至要花一些力气来判断有没有找到。如果没有找到在getSome返回空就好了，这样我们就来介绍optional

2 简介

使用std::optional能够达到上边的效果，我们简单了解下，首先optional是在c++17引入，可以看作是T类型和一个bool值的包装。
关于std::optional可以接受对象或者nullopt(表示为空值)，参考一段例子：

#include 
#include 
using namespace std;

int main()
{
  std::optional pp = 1;
  if (pp) {
      cout << *pp << endl; // 1
  }

  pp = nullopt;
  if (pp) {
      cout << *pp << endl; // 不输出
  }
}

我们看这个简单的例子，pp用来存放int的对象，初始化为1，判断pp是否包含值，可以输出1，将nullopt赋值后，判断时为false，自然也不会输出。我们把上边遗留的那个例子重新写一下：

// snip...

#include 
using namespace std;

optional 
getSome(const std::vector& svec, int i)
{
  auto iter = std::find_if(svec.begin(), svec.end(), [i](const Some& s) {
      return s.some_i_ == i;
  });

  if (iter != svec.end()) {
      return *iter;
  }

  return nullopt;
}

int main()
{
  vector someVec;
  someVec.push_back({1, "11"});
  auto s_ptr = getSome(someVec, 1);
  if (s_ptr) {
      cout << s_ptr->some_str_ << endl; // “11”
  }

  s_ptr = getSome(someVec, 2);
  if (s_ptr) {
      cout << s_ptr->some_str_ << endl; // 不输出
  }
  return 0;
}

我们把getSome的返回值的类型改为用optional包装，如果满足条件用Some对象填充，没有时用nullopt填充，在main函数里判断使用即可。

optional细则

创建optinal

有几种方式创建optional，我们具体看下例子：

• 直接创建或者用nullopt赋值

std::optional empty;
std::optional opt = std::nullopt; 

• 使用对象初始化

std::optional opt = 1;

struct Some
{
  int some_i_ = 0;
  std::string some_str_;
};
Some s;
std::optional opt = s;

• 使用 std::make_optional构造,类似std::make_shared可以传递参数原地构造optional包含的对象

struct Some
{
  Some(int i, std::string str):
          some_i_(i),
          some_str_(std::move(str)) {}

  int some_i_ = 0;
  std::string some_str_;
};
using namespace std;
optional opt = make_optional(1, "1");
auto opt = make_optional(1); // optional

• 使用std::in_place构造：
  其实使用std::in_place和使用std::make_optional 用法相近，都是原地构造对象，避免使用对象初始化进行的一次拷贝等。std::in_place只是一个tag，用来表示我们使用std::optional的那个构造函数。
  optional的构造函数是这样：

//
template >>
constexpr explicit 
optional(in_place_t, _Args&&... __args)
      : __base(in_place, _VSTD::forward<_Args>(__args)...) {}

//
template &, _Args...>>>
constexpr explicit 
optional(in_place_t, initializer_list<_Up> __il, _Args&&... __args)
      : __base(in_place, __il, _VSTD::forward<_Args>(__args)...) {}

这里两个构造函数参数都是以in_place_t类型为第一个参数，就是表示一个占位符，后边我们传入要构造对象的参数。我们参考例子：

struct Some
{
  Some(int i, std::string str):
          some_i_(i),
          some_str_(std::move(str)) {}

  int some_i_ = 0;
  std::string some_str_;
};
using namespace std;
optional opt {in_place, 1, "1"};

写起来要比std::make_optional简便很多

optional的其他操作

/// 1
optional opt {1};
opt.value(); // 1
*opt // 1

/// 2
optional opt;
opt.value(); // 抛出异常
*opt // 为定义
opt.value_or(2); // 2(没有值时使用默认值)

///3
optional opt{2};
opt.emplace(4); // 重新构造4的对象
opt.reset(); // 释放掉原来的对象，nullopt

optional比较

和指针比较

大家是否在想指针是不是也可以达到这样的效果，我们来看一下：

• 如果我们和普通的指针相比，即用指针指向对象，如果为空的时候使用nullptr来代替，对于我们第一个例子可以达到相似的效果，因为我们的vector的生命周期时在使用指针之后销毁，因为指针只是简单指向，对于指向已经析构的对象，无疑是一场灾难。
• 如果和我们智能指针比较，例如第一个例子中，
  第一种实现我们需要vector存放shared_ptr才能进行拷贝：

shared_ptr getSome(
    const vector>& svec, 
    int i)
{
    auto iter = std::find_if(svec.begin(), svec.end(), [i](const Some& s) {
        return s.some_i_ == i;
    });

    if (iter != svec.end()) {
        return *iter;
    }

    return nullptr;
}

实现起来有点繁琐，并且还需要改动svec，这不妥。或者看起来这样：

shared_ptr 
getSome(const vector& svec, int i)
{
    auto iter = std::find_if(svec.begin(), svec.end(), [i](const Some& s) {
        return s.some_i_ == i;
    });

    if (iter != svec.end()) {
        Some s = *iter;
        return shared_ptr{&s};
    }

    return nullptr;
}

这样就和我们使用普通指针是一样的，并且shared_ptr引用计数为0的时候还是会做销毁，这样是错误的。
最后一种就是重新构造一个Some对象，普通指针和智能都可以实现。普通指针需要做delete操作，如果用智能指针实现也可以：

shared_ptr
getSome(const vector& svec, int i)
{
    auto iter = std::find_if(svec.begin(), svec.end(), 
    [i](const Some& s) {
        return s.some_i_ == i;
    });

    if (iter != svec.end()) {
        return std::make_shared(*iter);
    }

    return nullptr;
}

我们发现智能指针也可以充当这样的角色，如何使用要看大家了，不过既然推出了新的标准，而且如果要实现如此功能感觉还是optional使用起来方便一点，语义明确，而且代码可读性较好。

和rust的option比较

首先rust的option是一个枚举：

enum Option {
  Some(T),
  None,
} 

这个枚举是个模版，枚举中每个元素可以存放对象或者不存放，类似之前例子的rust的简单实现：

fn getSome(b: bool) -> Option {
    if b {
        return Some(3);
    }

    return None;
}

fn main() {
    let b = false;
    if let Some(s) = getSome(b) {
        println!("hello.. {}", s);
    }
    else {
        println!("hello.. null");
    }
}

getSome如果满足条件返回Some,不满足返回None。
rust致力于一个安全的语言，option是prelude，不需要显示引入作用域，同样不需要Option::前缀来直接使用Some和None，同时还配套和一些相关安全的函数，看起来比C++的简便一些，我们这里就做一个对比。

参考

https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/optional/optional

https://kaisery.gitbooks.io/trpl-zh-cn/content/ch06-01-defining-an-enum.html

等