C++干货系列——C++17新特性之std::optional
C++ 17 在 STL 中加入了许多新的"vocabulary types"，这些类型时用在不同组件的接口处的。MSCV也在Visual Studio2017中添加了对诸如std::optional,std::any和std::variant的支持。在这篇文章中，我们就来看一下std::optional解决了哪些问题，以及如何正确使用它。
表达“有时存在”
在程序中，有时我们需要变量来表达“nothing”的意思，比如你怎么写一个函数来“有可能“返回一个值？就好像给我找出一段文字中的第一个偶数，如果有的话，那很好；没有的话，也没什么大不了的——很平凡也很常见的需求。
以前我们常采用的做法是“magic value” ：
int find_me_the_even_number();//a return value of -1 means no even number
“magic value”指的是某些预先约定好的特殊值：空string，0，1或者是最大的无符号整型，比如std::string::npos。这种做法的弊端是不言而喻的，我们会默认这些魔法值是我们不需要的，抑或我们赋予了这些值“有异常”的意义，但这一切都是口头约定，并没有从语法层面加以约束。其次，对于某些类型，我们并不能找到类似的魔法值，或者就算找到后，这些值也不能轻松地被创造出来，这都给我们在使用魔法值时带来风险。
另一种方法是二次询问：变量需要同时绑定一个布尔值，在使用变量前先查询这个bool变量，看这个值是否存在；如果是，那么进行第二次访问获取这个变量的值。
void maybe_require_an_int(int value = -1, bool do_I_need_int);
void even_better(pair param = std::make_pare(-1, false));
pare maybe_return_an_int();
这个方案也行，但是太丑了，我的师傅告诉我：“看起来很丑的代码八成都有问题“。撇开重复的查询不说，做法在线程上是否安全也有待商榷——如果因为线程的问题访问了那个并不存在的值，要么我们得到一个不确定的数，要么抛出异常，结果都是心碎了一地。
表达“还不存在”
想想看，你的某个类中某个成员，他在类对象被构造时——出于某种原因——还不能被初始化。也就是说，这个类的对象，有选择性的去初始化它的成员。这些成员的初始化要么发生在稍后的某个主动调用，要么发生在接收到某个请求。无论如何，我们都要实现这样的功能，如果按照上边添加bool值来记录这个成员的初始化情况，那么我们就会得到下面这样“丑陋的代码”。
using T = /*some type*/;
struct S{
bool is_initialized = false;
alignas(T) unsigned char maybe_T[sizeof(T)];
void constructor_the_T(int arg) {
assert(!is_initialized);
new (&maybe_T) T(arg);
is_initialized = true;
}
T& get_the_T() {
assert(is_initialized);
return reinterpret_cast(maybe_T);
}
~S() {
if(is_initialized) {
get_the_T().~T(); // destroy the T
}
}
// 还有一大坨代码
};
上边“还有一大坨代码”的位置就是拟写拷贝/移动构造函数/操作符的位置了，实现这些函数时也都要务必注意：T有没有被初始化。如果你真的发自内心得觉得上边的代码很恶心的话，那么幸亏你看了这篇文章——你的直觉是对的，我们现在有更好的解决它的方法了。上边的做法无异于徘徊在bug的悬崖边小心翼翼，如履薄冰，躲避着那一个个可能的未知错误。
有些朋友可能会有想法：我能不能用std::unique_ptr来模拟std::optional，简要的回答是：功能上满足要求，但是从语义上和性能上我们都不建议这么做；详细的解释请参见我的另一篇回答。
使用std::optional
C++17 在 STL 中引入了std::optional，就像std::variant一样，std::optional是一个“和类型(sum type)”，也就是说，std::optional类型的变量要么是一个T类型的__变量__，要么是一个表示“什么都没有”的__状态__。这个状态也有自己的类型和值：类型是std::nullopt_t，值为std::nullopt。看起来是不是很熟悉？没错，概念上它和nullptr十分相似，区别就是后者是一个关键字罢了。
std::optional几乎拥有所有我们想要的性质：任何一个T类型或可以隐式转换成T类型的变量都可以用来构造它的对象，同样我们也可以用std::nullopt或默认构造函数来构造它，这个时候我们得到的变量意义是“nothing”罢了。我们使用has_value()函数来询问std::optional此时是否有值，如果有的话，我们使用value()函数来获取他的值。如果std::optional没有值时我们仍然调用value()，我们将获得一个std::bad_optional_access异常报错奖励。需要注意的是，std::optional在内部存储T变量，并没有用到动态分配内存，其实说实在的，在C++标准中，动态内存这种行为时时刻刻都是不被建议的。
int main() {
std::string text = "Hello, it's me.";
std::optional opt = firstEvenNumberIn(text);
if (opt.has_value()) {
std::cout << "The first even number is "
<< opt.value()
<< std::endl;
}
}
除了上边的方法之外，std::optional也提供了一系列和智能指针相似的接口：他可以显式地转化为bool型变量来显示他此时是否拥有一个有意义的值。指针的解引用操作符*和->也被重载，但是在使用前一定要检验变量是否含有值，不加检验的访问将会导致未知的结果。最后，reset()方法销毁存储在std::optional中的值，并将其值为空。因此上边的代码也可以改写成：
int main() {
std::string text = "Hello, it's me.";
std::optional opt = firstEvenNumberIn(text);
if (opt) {
std::cout << "The first even number is "
<< *opt
<< std::endl;
}
}
最后，类似于std::make_unique和std::make_shared一样，std::make_optional也可以构造一个T类型的std::optional。同样的，使用emplate(Args...)方法也可以将一个T类型对象置入一个已经存在的std::optional对象中。
auto optVec = std::make_optional>(3, 22);
std::set ints{7, 4, 1, 741};
optVec.emplate(std::begin(ints), std::end(ints));
std::copy(optVec->begin(), optVec->end(), std::ostream_iterator(std::out, ", "));
都到这里了，我们就该把文章一开始的类重新写一下了。我们想类中添加一个std::optional成员，接下来的一切就交给标准库吧——因为std::optional已经解决了所有有关拷贝和移动构造函数/操作符相关的问题了。
using T = /* some type */;
struct S {
optional maybe_T;
void construct_the_T(int arg) {
// 我们无需处理重复构造所带来的问题，因为
// optional的emplace member会自动销毁所
// 之前存在的对象并构建一个新对象。
maybe_T.emplate(arg);
}
T& get_the_T() {
assert(maybe_T);
return *maybe_T;
// 或者如果你真的对异常情有独钟，你在这里可以写成：
// return maybe_T.value();
}
// ... 接下来的拷贝和构造函数就能保证问题不会处在optional这里啦！...
};
结语
有了std::optional，我们可以：
- 很轻松的区分到底是有返回值还是没有，而不是用傻傻的"magic value"。
- 在不采用异常机制的情况下，反映一个 no-value 的 case；毕竟异常机制太兴师动众了，尤其是在不那么“异常”的时刻。
- 对我们的类进行更好的封装，避免暴露过多的实现接口给调用者，尤其是在这些接口可能导致错误的前提下。
std::optional 虽然体量很小，但是却非常强大而有用。下次你再纠结到底该用哪个"magic value"去表达"nothing"的意思时，记得试试std::optional。