震驚！用了 std::optional 后，我再也沒(méi)有因?yàn)榭罩羔槺活I(lǐng)導(dǎo)罵過(guò)
作者：xiaokang1998
今天我們就來(lái)聊聊 C++17 引入的一個(gè)神器——std::optional，它能讓你優(yōu)雅地處理"可能存在，也可能不存在"的值，從此和空指針說(shuō)拜拜！
大家好，我是小康。
哎，說(shuō)起空指針，估計(jì)每個(gè)程序員都有一把辛酸淚。昨天還在跑得好好的程序，今天突然就給你來(lái)個(gè)Segmentation fault，然后你就開(kāi)始了漫長(zhǎng)的debug之旅。是不是很熟悉這個(gè)場(chǎng)景？
今天我們就來(lái)聊聊 C++17 引入的一個(gè)神器——std::optional，它能讓你優(yōu)雅地處理"可能存在，也可能不存在"的值，從此和空指針說(shuō)拜拜！
一、為什么我們需要optional？
先來(lái)看個(gè)真實(shí)的場(chǎng)景。你寫(xiě)了個(gè)函數(shù)，用來(lái)查找數(shù)組中的最大值：
#include <iostream>
#include <vector>
int findMax(const std::vector<int>& nums) {
if (nums.empty()) {
// 糟糕！空數(shù)組怎么辦？
return ???; // 返回什么好呢？
}
int maxVal = nums[0];
for (int num : nums) {
if (num > maxVal) {
maxVal = num;
}
}
return maxVal;
}看到了吧？當(dāng)數(shù)組為空時(shí)，我們陷入了兩難：
- 返回0？但萬(wàn)一數(shù)組里都是負(fù)數(shù)呢？
- 返回-1？但萬(wàn)一-1就是數(shù)組中的有效值呢？
- 返回nullptr？那就要返回指針，但指針指向哪里呢？局部變量？靜態(tài)變量？還要擔(dān)心內(nèi)存管理...
- 拋異常？有點(diǎn)小題大做了...
你可能會(huì)說(shuō)："返回指針不行嗎？" 我們來(lái)看看：
int* findMax(const std::vector<int>& nums) {
if (nums.empty()) {
return nullptr;
}
staticint maxVal; // 用靜態(tài)變量？危險(xiǎn)！
maxVal = nums[0];
for (int num : nums) {
if (num > maxVal) {
maxVal = num;
}
}
return &maxVal;
}
// 使用時(shí)的問(wèn)題：
int* result1 = findMax({1, 2, 3});
int* result2 = findMax({4, 5, 6});
std::cout << *result1 << std::endl; // 輸出6而不是3！被覆蓋了用指針的話(huà)，要么面臨生命周期問(wèn)題，要么要?jiǎng)討B(tài)分配內(nèi)存，麻煩得很！
這就是 optional 大顯身手的時(shí)候了！
二、optional閃亮登場(chǎng)
std::optional就像一個(gè)"盲盒"，里面要么裝著你想要的值，要么啥也沒(méi)有。它完美解決了前面的所有問(wèn)題：
- 不用糾結(jié)返回什么特殊值（0、-1都可能是有效值）
- 不用擔(dān)心指針的生命周期和內(nèi)存管理
- 語(yǔ)義超級(jí)清晰：有值就是有值，沒(méi)值就是沒(méi)值，絕不含糊
用起來(lái)特別優(yōu)雅：
#include <iostream>
#include <vector>
#include <optional>
std::optional<int> findMax(const std::vector<int>& nums) {
if (nums.empty()) {
return std::nullopt; // 優(yōu)雅地表示"沒(méi)有值"
}
int maxVal = nums[0];
for (int num : nums) {
if (num > maxVal) {
maxVal = num;
}
}
return maxVal; // 自動(dòng)包裝成optional
}
int main() {
std::vector<int> nums1 = {3, 1, 4, 1, 5};
std::vector<int> nums2 = {}; // 空數(shù)組
auto result1 = findMax(nums1);
auto result2 = findMax(nums2);
if (result1.has_value()) {
std::cout << "最大值是: " << result1.value() << std::endl;
} else {
std::cout << "數(shù)組為空，沒(méi)有最大值" << std::endl;
}
if (result2.has_value()) {
std::cout << "最大值是: " << result2.value() << std::endl;
} else {
std::cout << "數(shù)組為空，沒(méi)有最大值" << std::endl;
}
return0;
}運(yùn)行結(jié)果：
最大值是: 5
數(shù)組為空，沒(méi)有最大值看到?jīng)]？代碼邏輯清晰，不會(huì)崩潰，還很好理解！
三、optional的各種玩法
1. 創(chuàng)建optional的幾種方式
#include <iostream>
#include <optional>
#include<vector>
#include <string>
int main() {
// 方式1：直接賦值
std::optional<int> opt1 = 42;
// 方式2：使用make_optional
auto opt2 = std::make_optional<int>(100);
// 方式3：空的optional
std::optional<std::string> opt3; // 默認(rèn)為空
std::optional<std::string> opt4 = std::nullopt; // 顯式為空
// 方式4：復(fù)雜類(lèi)型
std::optional<std::vector<int>> opt5 = std::vector<int>{1, 2, 3};
std::cout << "opt1有值嗎? " << (opt1.has_value() ? "是" : "否") << std::endl;
std::cout << "opt3有值嗎? " << (opt3.has_value() ? "是" : "否") << std::endl;
return 0;
}輸出：
opt1有值嗎? 是
opt3有值嗎? 否2. 安全地取值
#include <iostream>
#include <optional>
std::optional<int> divide(int a, int b) {
if (b == 0) {
returnstd::nullopt; // 除零？不存在的！
}
return a / b;
}
int main() {
auto result1 = divide(10, 2);
auto result2 = divide(10, 0);
// 方法1：使用has_value()檢查
if (result1.has_value()) {
std::cout << "10 / 2 = " << result1.value() << std::endl;
}
// 方法2：使用value_or()提供默認(rèn)值
std::cout << "10 / 0 = " << result2.value_or(-1) << " (默認(rèn)值)" << std::endl;
// 方法3：直接用*操作符（要確保有值）
if (result1) { // 可以直接當(dāng)bool用！
std::cout << "用*操作符: " << *result1 << std::endl;
}
return 0;
}輸出：
10 / 2 = 5
10 / 0 = -1 (默認(rèn)值)
用*操作符: 53. 鏈?zhǔn)讲僮鳌@個(gè)真的很酷！
C++23還引入了 transform 和 and_then 方法，讓你可以像處理管道一樣處理optional：
#include <iostream>
#include <optional>
#include <string>
// 模擬一個(gè)可能失敗的字符串轉(zhuǎn)數(shù)字函數(shù)
std::optional<int> stringToInt(const std::string& s) {
try {
return std::stoi(s);
} catch (...) {
return std::nullopt;
}
}
// 平方函數(shù)
std::optional<int> square(int x) {
if (x > 1000) { // 防止溢出
return std::nullopt;
}
return x * x;
}
int main() {
std::string input1 = "5";
std::string input2 = "abc";
std::string input3 = "50";
// 傳統(tǒng)寫(xiě)法
auto num1 = stringToInt(input1);
if (num1.has_value()) {
auto squared = square(*num1);
if (squared.has_value()) {
std::cout << "傳統(tǒng)寫(xiě)法: " << *squared << std::endl;
}
}
// 現(xiàn)代寫(xiě)法（需要C++23，這里展示概念）
// auto result = stringToInt(input1)
// .and_then([](int x) { return square(x); });
// 我們用傳統(tǒng)方式模擬鏈?zhǔn)秸{(diào)用
auto processString = [](conststd::string& s) -> std::optional<int> {
auto num = stringToInt(s);
if (!num.has_value()) return std::nullopt;
return square(*num);
};
std::cout << "input1 \"5\" 的平方: " << processString(input1).value_or(-1) << std::endl;
std::cout << "input2 \"abc\" 的平方: " << processString(input2).value_or(-1) << " (無(wú)效)" << std::endl;
std::cout << "input3 \"50\" 的平方: " << processString(input3).value_or(-1) << std::endl;
return 0;
}輸出：
傳統(tǒng)寫(xiě)法: 25
input1 "5" 的平方: 25
input2 "abc" 的平方: -1 (無(wú)效)
input3 "50" 的平方: 2500四、實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用：配置文件解析器
來(lái)個(gè)實(shí)際點(diǎn)的例子。假設(shè)你要寫(xiě)個(gè)配置文件解析器，有些配置項(xiàng)可能存在，有些可能不存在：
#include <iostream>
#include <optional>
#include <unordered_map>
#include <string>
class ConfigParser {
private:
std::unordered_map<std::string, std::string> config_;
public:
ConfigParser() {
// 模擬從文件讀取配置
config_["host"] = "localhost";
config_["port"] = "8080";
// 注意：沒(méi)有"timeout" 和 database_host 配置
}
std::optional<std::string> getString(const std::string& key) {
auto it = config_.find(key);
if (it != config_.end()) {
return it->second;
}
return std::nullopt;
}
std::optional<int> getInt(const std::string& key) {
auto str = getString(key);
if (!str.has_value()) {
return std::nullopt;
}
try {
return std::stoi(*str);
} catch (...) {
return std::nullopt;
}
}
};
int main() {
ConfigParser config;
// 獲取主機(jī)名
auto host = config.getString("host");
std::cout << "主機(jī): " << host.value_or("未配置") << std::endl;
// 獲取端口號(hào)
auto port = config.getInt("port");
std::cout << "端口: " << port.value_or(80) << std::endl;
// 獲取超時(shí)時(shí)間（不存在的配置）
auto timeout = config.getInt("timeout");
std::cout << "超時(shí): " << timeout.value_or(30) << "秒" << std::endl;
// 實(shí)際使用中的判斷
if (auto dbHost = config.getString("database_host")) {
std::cout << "連接數(shù)據(jù)庫(kù): " << *dbHost << std::endl;
} else {
std::cout << "數(shù)據(jù)庫(kù)配置缺失，使用內(nèi)存存儲(chǔ)" << std::endl;
}
return 0;
}輸出：
主機(jī): localhost
端口: 8080
超時(shí): 30秒
數(shù)據(jù)庫(kù)配置缺失，使用內(nèi)存存儲(chǔ)五、optional VS 傳統(tǒng)方案
讓我們對(duì)比一下各種處理"可能不存在"值的方案：
#include <iostream>
#include <optional>
#include <vector>
// 傳統(tǒng)方案1：使用特殊值
int findFirstEven_Traditional(const std::vector<int>& nums) {
for (int num : nums) {
if (num % 2 == 0) {
return num;
}
}
return -1; // 特殊值表示"沒(méi)找到"
}
// 傳統(tǒng)方案2：使用指針
int* findFirstEven_Pointer(const std::vector<int>& nums) {
staticint result; // 靜態(tài)變量，危險(xiǎn)！
for (int num : nums) {
if (num % 2 == 0) {
result = num;
return &result;
}
}
return nullptr;
}
// 現(xiàn)代方案：使用optional
std::optional<int> findFirstEven_Optional(const std::vector<int>& nums) {
for (int num : nums) {
if (num % 2 == 0) {
return num;
}
}
return std::nullopt;
}
int main() {
std::vector<int> nums1 = {1, 3, 4, 7, 8};
std::vector<int> nums2 = {1, 3, 5, 7, 9};
std::cout << "=== 測(cè)試有偶數(shù)的數(shù)組 ===" << std::endl;
// 傳統(tǒng)方案1
int result1 = findFirstEven_Traditional(nums1);
if (result1 != -1) {
std::cout << "傳統(tǒng)方案1: " << result1 << std::endl;
}
// 傳統(tǒng)方案2
int* result2 = findFirstEven_Pointer(nums1);
if (result2 != nullptr) {
std::cout << "傳統(tǒng)方案2: " << *result2 << std::endl;
}
// 現(xiàn)代方案
auto result3 = findFirstEven_Optional(nums1);
if (result3.has_value()) {
std::cout << "optional方案: " << *result3 << std::endl;
}
std::cout << "\n=== 測(cè)試全是奇數(shù)的數(shù)組 ===" << std::endl;
std::cout << "傳統(tǒng)方案1: " << findFirstEven_Traditional(nums2) << " (可能和有效值混淆)" << std::endl;
int* ptr_result = findFirstEven_Pointer(nums2);
std::cout << "傳統(tǒng)方案2: " << (ptr_result ? "有值" : "無(wú)值") << std::endl;
auto opt_result = findFirstEven_Optional(nums2);
std::cout << "optional方案: " << (opt_result.has_value() ? "有值" : "無(wú)值") << std::endl;
return 0;
}輸出：
=== 測(cè)試有偶數(shù)的數(shù)組 ===
傳統(tǒng)方案1: 4
傳統(tǒng)方案2: 4
optional方案: 4
=== 測(cè)試全是奇數(shù)的數(shù)組 ===
傳統(tǒng)方案1: -1 (可能和有效值混淆)
傳統(tǒng)方案2: 無(wú)值
optional方案: 無(wú)值看出差別了吧？optional方案最清晰，不會(huì)產(chǎn)生歧義！
六、性能怎么樣？
你可能會(huì)擔(dān)心：用optional會(huì)不會(huì)影響性能？答案是：幾乎不會(huì)！
std::optional的實(shí)現(xiàn)非常高效，它通常就是一個(gè)聯(lián)合體加上一個(gè)bool標(biāo)志位，開(kāi)銷(xiāo)很小。而且相比傳統(tǒng)的指針檢查，它還能避免很多潛在的bug。
#include <optional>
#include <chrono>
#include <iostream>
#include <unordered_map>
#include <string>
class Config {
private:
std::unordered_map<std::string, std::string> data;
public:
Config() {
// 模擬從文件加載100個(gè)配置項(xiàng)
for (int i = 0; i < 100; ++i) {
data["key" + std::to_string(i)] = "value" + std::to_string(i);
}
}
// 傳統(tǒng)方式
std::string* getTraditional(const std::string& key) {
auto it = data.find(key);
return (it != data.end()) ? &it->second : nullptr;
}
// optional方式
std::optional<std::string> getOptional(const std::string& key) {
auto it = data.find(key);
return (it != data.end()) ? std::optional<std::string>(it->second) : std::nullopt;
}
};
int main() {
Config config;
const int iterations = 100000; // 模擬10萬(wàn)次配置查詢(xún)
// 測(cè)試傳統(tǒng)方式
auto start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
for (int i = 0; i < iterations; ++i) {
auto result = config.getTraditional("key42");
if (result) {
volatile auto x = result->length(); // 模擬使用配置
}
}
auto end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
auto traditional_time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end - start);
// 測(cè)試optional方式
start = std::chrono::high_resolution_clock::now();
for (int i = 0; i < iterations; ++i) {
auto result = config.getOptional("key42");
if (result) {
volatile auto x = result->length(); // 模擬使用配置
}
}
end = std::chrono::high_resolution_clock::now();
auto optional_time = std::chrono::duration_cast<std::chrono::microseconds>(end - start);
std::cout << "配置查詢(xún)測(cè)試（10萬(wàn)次）：" << std::endl;
std::cout << "傳統(tǒng)方式耗時(shí)：" << traditional_time.count() << " 微秒" << std::endl;
std::cout << "optional方式耗時(shí)：" << optional_time.count() << " 微秒" << std::endl;
std::cout << "性能差異：" << (double)optional_time.count() / traditional_time.count() << "倍" << std::endl;
return 0;
}在我的機(jī)器上運(yùn)行，兩種方式的性能差異微乎其微，但optional的代碼更安全、更清晰。
配置查詢(xún)測(cè)試（10萬(wàn)次）：
傳統(tǒng)方式耗時(shí)：7060 微秒
optional方式耗時(shí)：8581 微秒
性能差異：1.21544倍七、總結(jié)：optional的優(yōu)勢(shì)
用了這么多例子，我們來(lái)總結(jié)一下 optional 的好處：
- 類(lèi)型安全：編譯時(shí)就能發(fā)現(xiàn)潛在問(wèn)題
- 語(yǔ)義清晰：一眼就能看出這個(gè)值可能不存在
- 性能優(yōu)秀：幾乎零開(kāi)銷(xiāo)的抽象
- 易于使用：API設(shè)計(jì)得很人性化
- 現(xiàn)代化：符合現(xiàn)代C++的設(shè)計(jì)理念
八、小貼士
最后給大家?guī)讉€(gè)使用 optional 的小技巧：
- 區(qū)分錯(cuò)誤和空值：如果"沒(méi)有值"表示錯(cuò)誤情況，用異常；如果是正常情況，用optional
- 善用value_or方法：它能讓你的代碼更簡(jiǎn)潔
- 結(jié)合auto：讓編譯器推導(dǎo)類(lèi)型，代碼更干凈
- 鏈?zhǔn)秸{(diào)用：C++23的 transform 和 and_then 很強(qiáng)大，值得學(xué)習(xí)
好了，關(guān)于 std::optional 就講到這里。從此以后，遇到"可能存在，可能不存在"的值，你就知道該用什么工具了。告別空指針崩潰，擁抱優(yōu)雅代碼！
記住，編程不只是讓程序跑起來(lái)，更要讓程序跑得優(yōu)雅、安全、可維護(hù)。std::optional就是這樣一個(gè)讓你的C++代碼更優(yōu)雅的利器。
快去試試吧，你會(huì)愛(ài)上它的！
責(zé)任編輯：趙寧寧
來(lái)源：
跟著小康學(xué)編程
