直入主題

本篇之中，僅僅述及 std::optional ，其它和 variant 相關的話題以後再說吧。

std::optional 也劃入 variant 類別中，其實它還是談不上可稱為變體型別的，但新版本中的三大件（optional，any and variant）也可以歸一類無妨。

C++17 之前

在 C 時代以及早期 C++ 時代，語法層面支援的 nullable 型別可以採用指標方式： T* ，如果指標為 NULL （C++11 之後則使用 nullptr ） 就表示無值狀態（empty value）。

typedef template <typename T> T* NullableT;
NullableT<int> pInt = nullptr;

為了更好地使用這個類別而不是總是採用指標，需要對其進行封裝。下面給出一個示例（但並未完善）：

// 使用 C++11 語法
namespace cmdr {
 template<typename T>
 class Nullable {
 public:
  Nullable() = default;

  virtual ~Nullable(){ if (_value) delete _value; }

 public:
  Nullable(const Nullable &o) { _copy(o); }

  Nullable &operator=(const Nullable &o) {
   _copy(o);
   return *this;
  }

  Nullable &operator=(const T &o) {
   this->_value = o;
   return *this;
  }

 private:
  void _copy(const Nullable &o) {
   this->_value = o._value;
  }

 public:
  T &val() { return *_value; }

  const T &val() const { return *_value; }

  void val(T &&v) {
   if (!_value)
    _value = new T;
   (*_value) = v;
  }

  explicit operator T() const { return val(); }

  explicit operator T() { return val(); }

  // operator ->
  // operator *
  
  [[nodiscard]] bool is_null() const { return !_value; }
  
 private:
  T *_value{nullptr};
 };// class Nullable<T>
}

所以，這個 Nullable<T> 現在很像 C# 或者 Kotlin 中的 T?。使用它和直接使用 T 差不多，只是隱含著 new/delete 的額外開銷，當然我們也可以採用別的實現方案例如增加一個額外的 bool 成員變數來表示是否尚未賦值，這樣就可以去掉 heap allocating 開銷，孰優孰劣也未必可以計較。

std::optional in C++17

std::optional 類似於 Nullable<T> 和 std::variant 的聯合體，它管理一個 Nullable 變體型別。

但它和 Nullable<T> 不同之處在於，optional 實現的更為精煉和全面：Nullable 是剛才我手寫的，甚至沒經過編譯器檢驗，也缺乏大多數過載以及構造特性。optional 在構造物件的開銷方面比 Nullable 好無數倍，因為它能夠利用原位構造特性使得自身的開銷趨向於 0 而只需要 T 物件的構造開銷，而 Nullable 為了表達出早期（C++03）的狀態直接採用了 new/delete 來簡化程式碼。

如果想要改進前文中 Nullable<T> 的實現，使其和 optional 一樣地完善，則需要關注如下幾點：

• 去掉 new / delete 機制，考慮採用一個空結構來表達尚未賦值的狀態：事實上，optional 使用了 std::nullopt_t 來表述該狀態。
• 完善操作符過載
• 加入 swap 特性支援
• 加入原位構造特性支援

optional 和 variant 也不同，variant 是提前確定好一組可選的型別，你只能在這一組型別中進行變換，而 optional 是具體化到一個特定型別的，你不能動態地將不同型別的值賦予 optional 的變數。

optional 從語法意義上來說，就是一個完美版的 Nullable<T> ，你可以將其和 Kotlin 的可空型別等價。

使用

我們可以以多種方式來構造、宣告 optional 的變數，最原始的方式是在構造引數時傳入值物件：

std::optional<int> opt_int(72);
std::optional opt_int2(8);
std::optional opt_int2(std::string("a string"));

使用 std::make_optional<T> 是比較 meaningful 的一種，而且也是更整潔的原位構造：

auto opt_double = std::make_optional(3.14);
auto opt_complex = std::make_optional<std::complex<double>>(3.0,4.0);
std::optional<std::complex<double>> opt_complex2{std::in_place,3.0,4.0};

使用原位構造

// constructing a string in-place
std::optional<std::string> o1(std::in_place,"a string");
// with a repeated spaces
std::optional<std::string> o1(std::in_place,8,' ');

has_value 可以用於測試有沒有值，是否尚未賦值：

auto x = std::make_optional(9);
std::optional<int> y;
assert(x.hash_value() == true);
assert(y.hash_value() == false);

std::cout << x.value();
std::cout << y.value_or(0);

value() 和 value_or() 是抽出 T 值的方法，含義明顯，不必贅述。當無值或者型別不能轉換時，value() 有可能丟擲異常 std::bad_optional_access，如果想要避免則可以使用 value_or。

對於複合物件來說，原位構造方式賦值 emplace 也是可用的。同樣地也可以善加利用 swap。

應用

optional 相當於一個全型別的 Nullable 型別，所以在運用工廠模式時將其作為建立器的返回值將會是非常適合的選擇，好過無包裝的 T* 或者智慧指標。因為當你使用智慧指標的工廠模式時，建立器只能建立基於一個公共基類的例項，所以受制較多。但採用 optional 時則不會收到基類指標的限制。

下面是來自於 cppreference 的示例：

#include <string>
#include <functional>
#include <iostream>
#include <optional>
 
// optional 可用作可能失敗的工廠的返回型別
std::optional<std::string> create(bool b) {
 if(b)
  return "Godzilla";
 else
  return {};
}
 
// 能用 std::nullopt 建立任何（空的） std::optional
auto create2(bool b) {
 return b ? std::optional<std::string>{"Godzilla"} : std::nullopt;
}
 
// std::reference_wrapper 可用於返回引用
auto create_ref(bool b) {
 static std::string value = "Godzilla";
 return b ? std::optional<std::reference_wrapper<std::string>>{value}
    : std::nullopt;
}
 
int main()
{
 std::cout << "create(false) returned "
    << create(false).value_or("empty") << '\n';
 
 // 返回 optional 的工廠函式可用作 while 和 if 的條件
 if (auto str = create2(true)) {
  std::cout << "create2(true) returned " << *str << '\n';
 }
 
 if (auto str = create_ref(true)) {
  // 用 get() 訪問 reference_wrapper 的值
  std::cout << "create_ref(true) returned " << str->get() << '\n';
  str->get() = "Mothra";
  std::cout << "modifying it changed it to " << str->get() << '\n';
 }
}

// Output
create(false) returned empty
create2(true) returned Godzilla
create_ref(true) returned Godzilla
modifying it changed it to Mothra

此外，在搜尋演算法中返回搜尋結果或者返回沒找到狀態，可以不必使用 bool 加上 search::result 了，可以直接返回 std::optional<search::result>。

這樣的設計策略完全可以產生深遠的影響。從有潔癖的我的心態出發，大多數類庫都可以據此重新改寫，從而得到更簡練、更 meaningful 的介面。而更富有表達力的介面反過來也能影響到演算法的實現部分，它們將會變得更易讀，更可維護。

那些 Machine Learning 演算法，寫出來如同天書一般，但藉助新的手段重構的話，有望可以增進理解程度。

所以，像 C# 具有了 Nullable 型別幾十年（稍稍有點誇張）了之後，C++17 才正式支援 std::optional 實在是相當操蛋的一件事情。

和 Kotlin 比較Permalink

和 Kotlin 相比較的話，現階段的 optional 不但冗長，而且缺乏一大組閉包工具（let，apply，型別診斷，空安全）。多數人將這些工具稱作語法糖，但我更希望它們被視為必需品。下面是一段 Kotlin 的程式碼塊，可以看出整體上它們的簡練性，而 std::optional 嘛，實際上還差得遠，看起來也不可能趕得上了：

if (obj is String!!) { // 對於 String? obj 也一樣生效，自動升級為非空版本
 print(obj.length)
}

if (obj !is String) { // 與 !(obj is String) 相同
 print("Not a String")
} else {
 print(obj.length)
}

fun demo(x: Any) {
 if (x is String) {
  print(x.length) // x 自動轉換為字串
 }
}

when (x) {
 is Int -> print(x + 1)
 is String -> print(x.length + 1)
 is IntArray -> print(x.sum())
}

// 可空型別的集合
val nullableList: List<Int?> = listOf(1,2,null,4)
val intList: List<Int> = nullableList.filterNotNull()

// 可空型別的簡化診斷程式碼塊
Int? zz = 8;
zz?.let {
 sum += it // 僅當 zz 非空時， 塊內才被執行，it 表示 zz 的非空版
}

Kotlin 的這套語法機制真的是讓人如同吃了人蔘果，無一個毛孔不舒服。但是它的實現機制是低代價而非無代價的，從這一點上來說，C++ 將不可能採納等效的新語法，只能使用 std::optional<T> 這樣的老奶奶裹腳布方案了。但它至少比沒有的好。

小結

通過和 Kotlin 的比較，我們不無悲哀地看到，比較於 C++11 甚至於 C++98，optional 固然是個提升，然而受制於 C++ 標準委員會以及歷史包袱的原因，簡練有效的表達方式在現在不可能，在未來的 C++2x,3x 中也應該是行不通的。

參考連結

std::optional at cppreference

到此這篇關於C++17中的std::optional的具體使用的文章就介紹到這了,更多相關C++17 std::optional內容請搜尋我們以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大家以後多多支援我們！