C++三剑客之std::optional(一) : 使用详解
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目录
1.概述
2.构建方式
2.1.默认构造
2.2.移动构造
2.3.拷贝构造
2.4.std::in_place_t构造
2.5.std::make_optional构造
3.修改器
3.1.operator=
3.2.emplace
3.3.reset
3.4.swap
4.观察器
4.1.operator->和operator*
4.2.operator bool和has_value
4.3.value
4.4.value_or
5.单子操作(C++23起)
5.1.and_then
5.2.transform
5.3.or_else
6.使用场景
7.注意事项
7.1.std::optional未初始化去访问
7.2.std::optional的比较操作
7.3.std::optional的生命周期
8.总结
1.概述
C++17的三剑客分别是std::optional, std::any, std::vairant。今天主要讲std::optional。它是一个类模版，在头文件<
template< class T >
class optional; 类模板 std::optional 管理一个可选 的容纳值，既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::pairoptional 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。
以下是一个简单的代码示例，展示了如何在C++程序中引入和使用std::optional：
#include // 引入std::optional
#include
std::optional getValue(bool r) {
if (r) {
return 1.52;
} else {
return std::nullopt;
}
}
int main() {
auto value = getValue(true);
if (value.has_value()) {
std::cout << "Value: " << *value << std::endl;
} else {
std::cout << "No value" << std::endl;
}
return 0;
}
在这个代码示例中，我们首先引入了
2.构建方式
std::optional的构建方式主要有：
2.1.默认构造
std::optional的默认构造函数创建一个不包含值的std::optional对象。这在你需要延迟初始化或者表示一个可能不存在的值时非常有用。
std::optional opt; // 创建一个不包含值的std::optional对象 2.2.移动构造
移动构造又称右值构造。你可以通过提供一个右值来构造std::optional对象。这个值将被复制或移动到新创建的std::optional对象中。如下示例：
std::optional a(10.09); // 创建一个包含值10.09的std::optional对象
std::optional b(std::move(a)); //使用移动构造函数创建一个新的std::optional对象 2.3.拷贝构造
如下示例：
std::optional a(22222);
std::optional b(a); // 使用拷贝构造函数创建一个新的std::optional对象 2.4.std::in_place_t构造
std::optional类还提供了in-place构造函数，允许你在std::optional对象的存储空间中直接构造值，避免了不必要的拷贝或移动操作。std::in_place是消除歧义的标签，其传递给ystd::optional的构造函数，用来指示原位构造对象。示例如下：
#include
#include
#include
int main()
{
// 调用 std::string( initializer_list ) 构造函数
std::optional o4(std::in_place, {'a', 'b', 'c'});
// 调用 std::string( size_type count, CharT ch ) 构造函数
std::optional o5(std::in_place, 3, 'A');
// 从 std::string 移动构造，用推导指引拾取类型
std::optional o6(std::string{"deduction"});
std::cout << *o2 << ' ' << *o3 << ' ' << *o4 << ' ' << *o5 << ' ' << *o6 << '\n';
} 输出：1 1 abc AAA deduction
2.5.std::make_optional构造
创建一个包含给定值的std::optional对象，它的定义如下：
从定义看出，可以从右值，可变参数和std::initializer_list等多种方式用std::make_optional构造出std::optional对象。示例如下：
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
auto op1 = std::make_optional>({'a','b','c'});
std::cout << "op1: ";
for (char c: op1.value()){
std::cout << c << ",";
}
auto op2 = std::make_optional>(5, 2);
std::cout << "\nop2: ";
for (int i: *op2){
std::cout << i << ",";
}
std::string str{"hello world"};
auto op3 = std::make_optional(std::move(str));
std::cout << "\nop3: " << quoted(op3.value_or("empty value")) << '\n';
std::cout << "str: " << std::quoted(str) << '\n';
} 输出：
op1: a,b,c,
op2: 2,2,2,2,2,
op3: "hello world"
str: 3.修改器
3.1.operator=
对内容赋值，重载operator=操作符的类型有：
从中看出std::optional的赋值函数参数包括std::nullopt_t、左值引用、右值引用、模板单值、模板做值和模板右值。示例如下：
#include
#include
int main()
{
std::optional s1 = "abc", s2; // 构造函数
s2 = s1; // 赋值
s1 = "def"; // 衰变赋值（ U = char[4], T = const char* ）
std::cout << *s2 << ' ' << *s1 << '\n';
} 输出：abc def
3.2.emplace
emplace的定义如下：
示例如下：
#include
#include
struct A {
std::string s;
A(std::string str) : s(std::move(str)) { std::cout << " constructed\n"; }
~A() { std::cout << " destructed\n"; }
A(const A& o) : s(o.s) { std::cout << " copy constructed\n"; }
A(A&& o) : s(std::move(o.s)) { std::cout << " move constructed\n"; }
A& operator=(const A& other) {
s = other.s;
std::cout << " copy assigned\n";
return *this;
}
A& operator=(A&& other) {
s = std::move(other.s);
std::cout << " move assigned\n";
return *this;
}
};
int main()
{
std::optional a;
a.emplace(10); // 在optional对象中就地构造一个值
std::optional opt;
std::cout << "Assign:\n";
opt = A("Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit nec.");
std::cout << "Emplace:\n";
// 由于 opt 含值，这亦将销毁该值
opt.emplace("Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur efficitur. ");
std::cout << "End example\n";
} 输出：
Assign:
constructed
move constructed
destructed
Emplace:
destructed
constructed
End example
destructed3.3.reset
重置对象，若 std::optional 含值，则如同用 value().T::~T() 销毁此值。否则无效果。示例如下：
#include
#include
struct A {
std::string s;
A(std::string str) : s(std::move(str)) { std::cout << " constructed\n"; }
~A() { std::cout << " destructed\n"; }
A(const A& o) : s(o.s) { std::cout << " copy constructed\n"; }
A(A&& o) : s(std::move(o.s)) { std::cout << " move constructed\n"; }
A& operator=(const A& other) {
s = other.s;
std::cout << " copy assigned\n";
return *this;
}
A& operator=(A&& other) {
s = std::move(other.s);
std::cout << " move assigned\n";
return *this;
}
};
int main()
{
std::cout << "Create empty optional:\n";
std::optional opt;
std::cout << "Construct and assign value:\n";
opt = A("Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit nec.");
std::cout << "Reset optional:\n";
opt.reset();
std::cout << "End example\n";
} 输出：
Create empty optional:
Construct and assign value:
constructed
move constructed
destructed
Reset optional:
destructed
End example3.4.swap
交换内容，如果内部有值，这先析构内部值，再交换值。示例如下：
#include
#include
#include
int main()
{
std::optional opt1("First example text");
std::optional opt2("2nd text");
enum Swap { Before, After };
auto print_opts = [&](Swap e) {
std::cout << (e == Before ? "Before swap:\n" : "After swap:\n");
std::cout << "opt1 contains '" << opt1.value_or("") << "'\n";
std::cout << "opt2 contains '" << opt2.value_or("") << "'\n";
std::cout << (e == Before ? "---SWAP---\n": "\n");
};
print_opts(Before);
opt1.swap(opt2);
print_opts(After);
// 在仅一者含值时交换
opt1 = "Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur tincidunt.";
opt2.reset();
print_opts(Before);
opt1.swap(opt2);
print_opts(After);
} 输出：
Before swap:
opt1 contains 'First example text'
opt2 contains '2nd text'
---SWAP---
After swap:
opt1 contains '2nd text'
opt2 contains 'First example text'
Before swap:
opt1 contains 'Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur tincidunt.'
opt2 contains ''
---SWAP---
After swap:
opt1 contains ''
opt2 contains 'Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur tincidunt.'4.观察器
4.1.operator->和operator*
operator->返回所含值的指针；operator*返回所函数的引用，
此运算符不检查 std::
optional是否含值！你能手动用 has_value() 或简单地用 operator bool() 做检查。另外，若需要有检查访问，可使用 value() 或 value_or() 。
示例如下：
#include
#include
#include
int main()
{
using namespace std::string_literals;
std::optional opt1 = 1;
std::cout<< "opt1: " << *opt1 << '\n';
*opt1 = 2;
std::cout<< "opt1: " << *opt1 << '\n';
std::optional opt2 = "abc"s;
std::cout<< "opt2: " << *opt2 << " size: " << opt2->size() << '\n';
// 你能通过在到 optional 的右值上调用 operator* “取”其所含值
auto taken = *std::move(opt2);
std::cout << "taken: " << taken << " opt2: " << *opt2 << "size: " << opt2->size() << '\n';
} 输出：
opt1: 1
opt1: 2
opt2: abc size: 3
taken: abc opt2: size: 04.2.operator bool和has_value
检查std::optional是否函数，这个比较简单，这里就不赘述了。
4.3.value
若 std::optional含值，则返回到所含值引用，示例如下：
#include
#include
int main()
{
std::optional opt = {};
try {
int n = opt.value();
} catch(const std::exception& e) {
std::cout << e.what() << '\n';
}
} 输出：bad optional access
4.4.value_or
value_or的定义如下：
若std::optional 拥有值则返回其所含的值，否则返回 default_value 。
1) 等价于 bool(*this) ? **this : static_cast
2) 等价于 bool(*this) ? std::move(**this) : static_cast
示例如下：
#include
#include
#include
std::optional maybe_getenv(const char* n)
{
if(const char* x = std::getenv(n))
return x;
else
return {};
}
int main()
{
std::cout << maybe_getenv("MYPWD").value_or("(none)") << '\n';
} 输出：(none)
5.单子操作(C++23起)
5.1.and_then
在所含值存在时返回对其应用给定的函数的结果，否则返回空的 std::optional。下面示例可能包括C++23的部分内容，不清楚的地方可以去查询相关文档。代码如下：
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
std::optional to_int(std::string_view sv)
{
int r {};
auto [ptr, ec] { std::from_chars(sv.data(), sv.data() + sv.size(), r) };
if (ec == std::errc())
return r;
else
return std::nullopt;
}
int main()
{
using namespace std::literals;
const std::vector> v
{
"1234", "15 foo", "bar", "42", "5000000000", " 5", std::nullopt, "-43"
};
for (auto&& x : v | std::views::transform(
[](auto&& o)
{
// 调试打印输入的 optional 的内容
std::cout << std::left << std::setw(13)
<< std::quoted(o.value_or("nullopt")) << " -> ";
return o
// 若 optional 为空则转换它为持有 "" 字符串的 optional
.or_else([]{ return std::optional{""s}; })
// 拉平映射 string 为 int （失败时产生空的 optional）
.and_then(to_int)
// 映射 int 为 int + 1
.transform([](int n) { return n + 1; })
// 转换回 string
.transform([](int n) { return std::to_string(n); })
// 以 and_than 替换，并用 "NaN" 变换并忽略所有剩余的空 optional
// and_then and ignored by transforms with "NaN"
.value_or("NaN"s);
}))
std::cout << x << '\n';
} 输出：
"1234" -> 1235
"15 foo" -> 16
"bar" -> NaN
"42" -> 43
"5000000000" -> NaN
" 5" -> NaN
"nullopt" -> NaN
"-43" -> -425.2.transform
在所含值存在时返回含有变换后的所含值的 std::optional，否则返回空的 std::optional。示例如下：
#include
#include
struct A { /* ... */ };
struct B { /* ... */ };
struct C { /* ... */ };
struct D { /* ... */ };
auto A_to_B(A) -> B { /* ... */ std::cout << "A => B \n"; return {}; }
auto B_to_C(B) -> C { /* ... */ std::cout << "B => C \n"; return {}; }
auto C_to_D(C) -> D { /* ... */ std::cout << "C => D \n"; return {}; }
void try_transform_A_to_D(std::optional o_A)
{
std::cout << (o_A ? "o_A has a value\n" : "o_A is empty\n");
std::optional o_D = o_A.transform(A_to_B)
.transform(B_to_C)
.transform(C_to_D);
std::cout << (o_D ? "o_D has a value\n\n" : "o_D is empty\n\n");
};
int main()
{
try_transform_A_to_D( A{} );
try_transform_A_to_D( {} );
} 输出：
o_A has a value
A => B
B => C
C => D
o_D has a value
o_A is empty
o_D is empty5.3.or_else
在 std::optional 含值时返回自身，否则返回给定函数的结果。功能比较简单，在这里就不在赘述了。
6.使用场景
函数返回值：当函数可能返回一个值，也可能不返回值时，可以使用std:optional作为返回类型。这种方式可以避免使用指针或特殊值来表示无值的情况，从而提高代码的简洁性和安全性。
参数传递：将std::optional作为数参数，可以接受或忽略该参数的值。这种方式可以使函数更加灵活，适应不同的情况。
容器类：可以使用std:optional作为容器类（如std:vector、std:list等）的元素类型，以存储可能不存在的值。这种方式可以方便地处理容器中的空值，而无需使用指针或特殊值。
可选状态：当某个对象可能处于某种状态，也可能不处于该状态时，可以使用std:optional来表示该状态。例如，一个购物车可能包含一个可选的运费，可以使用std::optional
来表示是否计算运费。
异步编程：在异步编程中std:optional可以用于表示异步操作的结果。例如，一个异步函数可能返回一个std::optional
表示异步计算的结果可能是一个整数值，或者没有结果（空值）。
7.注意事项
在使用C++的std::optional类时，有一些重要的注意事项需要我们了解。这些注意事项可以帮助我们更好地理解和使用std::optional类，避免在编程中出现错误。
7.1.std::optional未初始化去访问
当我们创建一个std::optional对象但没有给它赋值时，这个对象就处于未初始化的状态。在这种状态下，如果我们试图访问它的值，就会抛出std::bad_optional_access异常。
std::optional a;
try {
int value = a.value(); // 抛出std::bad_optional_access
} catch (const std::bad_optional_access& e) {
std::cout << e.what() << '\n';
} 在这个例子中，我们创建了一个未初始化的std::optional对象，并试图访问它的值。这会抛出一个std::bad_optional_access异常，我们可以捕获这个异常并处理它。
在实际编程中，我们应该在访问std::optional的值之前，先使用has_value()函数或者bool运算符检查它是否已经被初始化。
std::optional a;
if (a) { // 或者 if (a.has_value())
int value = a.value();
} 7.2.std::optional的比较操作
std::optional支持所有的比较操作，包括==, !=, <, <=, >, >=。这些比较操作首先会比较两个std::optional对象的初始化状态，然后再比较它们的值。
std::optional a= 1;
std::optional b= 2;
std::optional b;
std::cout << (a == b) << '\n'; // 输出0，因为a和b的值不相等
std::cout << (a == c) << '\n'; // 输出0，因为a已经初始化，而c未初始化
std::cout << (c == std::nullopt) << '\n'; // 输出1，因为c未初始化 在这个例子中，我们创建了两个已经初始化的std::optional对象和一个未初始化的std::optional对象，然后比较它们的值和初始化状态。
7.3.std::optional的生命周期
std::optional的生命周期和它包含的值的生命周期是一致的。当std::optional被销毁时，它包含的值也会被销毁。这意味着我们不能返回一个包含局部变量的std::optional。
std::optional getName(bool c) {
std::string name = "zdxiao";
if (c) {
return name; // 错误：返回一个包含局部变量的std::optional
}
return std::nullopt;
在这个例子中，我们试图返回一个包含局部变量name的std::optional
在实际编程中，我们应该避免返回包含局部变量的std::optional。我们可以返回一个值，或者返回std::nullopt_t表示没有值。
std::optional getName(bool c) {
if (c) {
return "zdxiao"; // 正确：返回一个值
}
return std::nullopt; // 正确：表示没有值
} 在这个修改后的例子中，我们返回一个字符串字面量，而不是一个局部变量。这样返回的std::optionalstd::string就会包含一个有效的值。
以上就是在使用std::optional类时需要注意的一些重要事项。在实际编程中，我们应该充分理解和掌握这些注意事项，以避免在编程中出现错误。
8.总结
上面全面讲解了std::optional的用法和一些注意事项，要想深入理解它，那就需要在平时的工作中慢慢的去使用它，细细体会，才能真正领会发明std::optional的意义。
参考：std::optional - cppreference.com