C++17 新特性之 std::optional（上）

最近在学习 c++ 17 的一些新特性，为了加强记忆和理解，把这些内容作为笔记记录下来，有理解不对的地方请指正，欢迎大家留言交流。

引言

在介绍之前，我们从一个问题出发，C++ 的函数如何返回多个值？

比较有年代感的一种做法是将返回值作为引用参数传入，函数的返回值用来标识运行状态，比如像下面这样

#include <iostream>

using namespace std;

int func(const string& in, string& out1, string& out2) {
    if (in.size() == 0)
        return 0;
    out1 = "hello";
    out2 = "world";
    return 1;
}

int main() {
    string out1, out2;
    int status = func("hi", out1, out2);
    if (status) {
        cout << out1 << endl;
        cout << out2 << endl;
    }
    return 0;
}

这种做法性能不错，但可读性会比较差，参数列表里既包含了入参也包含了出参，常见通过变量名前缀来标识，尤其是在出入参比较多的时候，后期维护会非常头疼。

在 C++ 11 中新增了 tuple 这种数据结构的支持，自然也可以使用 tuple 来实现多个返回值

#include <iostream>
#include <tuple>

using namespace std;

tuple<bool, string, string> func(const string& in) {
    if (in.size() == 0)
        return make_tuple(false, "", "");
    return make_tuple(true, "hello", "world");
}

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

上面这段代码中的 `auto [status, out1, out2] = func("hi");` 是 C++ 17 中叫 Structured Bindings 的新特性，效果就是将多个返回值按照顺序绑定到方括号中的变量名中。

tuple 在这里用起来不是很爽的地方是需要刻意的记忆每个返回值的位置，在返回值数量比较多的时候就会带来比较大的困扰，返回值的语意表达的。

还有一种做法就是将函数返回值定义成一个结构体，同时要返回函数的运行状态，我们可以考虑把这两部分数据定义成一个 pair ，pair 可以理解为一种特殊的 tuple（只有 2 个元素的 tuple）。

#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;
}

目前这种做法可以做到让返回值更富有语意，并且可以很方便的扩展，如果要增加一个新的返回值，只需要扩展现有的结构体就可以了。正如上文所说，在 CppCoreGuidelines 中对于多返回值更建议使用 tuple 或 struct ，这样做能让返回值的语意更加明确。

最后这种做法中的 pair<bool, Out> 这个数据结构实现的功能就跟本文要介绍 std::optional 很相似了。

std::optional

From cppreference -std::optional

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。

std::optional 是在 C++ 17 中引入到标准库中的，C++ 17 之前的版本可以通过 boost::optional 实现几乎相同的功能。

我们来看一下使用 std::optional 来实现上面那段代码的样子

#include <iostream>
#include <optional>

using namespace std;

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

optional<Out> func(const string& in) {
    Out o;
    if (in.size() == 0)
        return nullopt;
    o.out1 = "hello";
    o.out2 = "world";
    return { o };
}

int main() {
    if (auto ret = func("hi"); ret.has_value()) {
        cout << ret->out1 << endl;
        cout << ret->out2 << endl;
    }
    return 0;
}

这段代码中我们看到了部分 std::optional 的用法，std::nullopt 是 C++ 17 中提供的没有值的 optional 的表达形式，等同于 { } 。

创建一个 optional 的方法：

// 空 optiolal
optional<int> oEmpty;
optional<float> oFloat = nullopt;

optional<int> oInt(10);
optional oIntDeduced(10);  // type deduction

// make_optional
auto oDouble = std::make_optional(3.0);
auto oComplex = make_optional<complex<double>>(3.0, 4.0);

// in_place
optional<complex<double>> o7{in_place, 3.0, 4.0};

// initializer list
optional<vector<int>> oVec(in_place, {1, 2, 3});

// 拷贝赋值
auto oIntCopy = oInt;

访问 optional 对象中数据的方法：

// 跟迭代器的使用类似，访问没有 value 的 optional 的行为是未定义的
cout << (*ret).out1 << endl;
cout << ret->out1 << endl;

// 当没有 value 时调用该方法将 throws std::bad_optional_access 异常
cout << ret.value().out1 << endl;

// 当没有 value 调用该方法时将使用传入的默认值
Out defaultVal;
cout << ret.value_or(defaultVal).out1 << endl;

使用 std::optional 带来的好处：

• 省去了运行状态的 bool 值的声明，让代码更简洁，更注重返回值本身的语意
• 不用担心额外的动态内存分配，这一点会在后面的文章里详细展开

总结

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通过对多返回值的代码不断的重构，最后通过 std::optional 实现了一个比较满意的版本，不过在这个过程中我们还遗漏了异常处理的部分，目前的实现方式在出异常时我们只知道没有返回值，但为什么出现异常却无从得知，以及 std::optional 在内存和性能上的一些思考，还有 std::optional 其它场景下的应用介绍都放到下一篇文章里啦。