现代C++24- 处理数据类型变化和错误：optional、variant、expected和Herbception

我们之前已经讨论了异常是推荐的 C++ 错误处理方式。不过，C++ 里有另外一些结构也很适合进行错误处理，今天我们就来讨论一下。

optional

在面向对象（引用语义）的语言里，我们有时候会使用空值 null 表示没有找到需要的对象。也有人推荐使用一个特殊的空对象，来避免空值带来的一些问题 [1]。可不管是空值，还是空对象，对于一个返回普通对象（值语义）的 C++ 函数都是不适用的——空值和空对象只能用在返回引用 / 指针的场合，一般情况下需要堆内存分配，在 C++ 里会引致额外的开销。

C++17 引入的 optional 模板 [2] 可以（部分）解决这个问题。语义上来说，optional 代表一个“也许有效”“可选”的对象。语法上来说，一个 optional 对象有点像一个指针，但它所管理的对象是直接放在 optional 里的，没有额外的内存分配。

构造一个 optional<T> 对象有以下几种方法：

不传递任何参数，或者使用特殊参数 std::nullopt（可以和 nullptr 类比），可以构造一个“空”的 optional 对象，里面不包含有效值。

第一个参数是 std::in_place，后面跟构造 T 所需的参数，可以在 optional 对象上直接构造出 T 的有效值。

如果 T 类型支持拷贝构造或者移动构造的话，那在构造 optional<T> 时也可以传递一个 T 的左值或右值来将 T 对象拷贝或移动到 optional 中。

对于上面的第 1 种情况，optional 对象里是没有值的，在布尔值上下文里，会得到 false（类似于空指针的行为）。对于上面的第 2、3 两种情况，optional 对象里是有值的，在布尔值上下文里，会得到 true（类似于有效指针的行为）。类似的，在 optional 对象有值的情况下，你可以用 * 和 -> 运算符去解引用（没值的情况下，结果是未定义行为）。

虽然 optional 是 C++17 才标准化的，但实际上这个用法更早就通行了。因为 optional 的实现不算复杂，有些库里就自己实现了一个版本。比如 cpptoml [3] 就给出了下面这样的示例（进行了翻译和重排版），用法跟标准的 optional 完全吻合：

auto val = config->

get_as<int64_t>("my-int");

// val 是 cpptoml::option<int64_t>

if (val) {

// *val 是 "my-int" 键下的整数值

} else {

// "my-int" 不存在或不是整数

}

cpptoml 里只是个缩微版的 optional，实现只有几十行，也不支持我们上面说的所有构造方式。标准库的 optional 为了方便程序员使用，除了我目前描述的功能，还支持下面的操作：

安全的析构行为

显式的 has_value 成员函数，判断 optional 是否有值

value 成员函数，行为类似于 *，但在 optional 对象无值时会抛出异常 std::bad_optional_access

value_or 成员函数，在 optional 对象无值时返回传入的参数

swap 成员函数，和另外一个 optional 对象进行交换

reset 成员函数，清除 optional 对象包含的值

emplace 成员函数，在 optional 对象上构造一个新的值（不管成功与否，原值会被丢弃）

make_optional 全局函数，产生一个 optional 对象（类似 make_pair、make_unique 等）

全局比较操作

等等

如果我们认为无值就是数据无效，应当跳过剩下的处理，我们可以写出下面这样的高阶函数：

template <typename T>

constexpr bool has_value(

const optional<T>& x) noexcept

{

return x.has_value();

}

template <typename T,

typename... Args>

constexpr bool has_value(

const optional<T>& first,

const optional<

Args>&... other) noexcept

{

return first.has_value() &&

has_value(other...);

}

template <typename F>

auto lift_optional(F&& f)

{

return [f = forward<F>(f)](

auto&&... args) {

typedef decay_t<decltype(f(

forward<decltype(args)>(args)

.value()...))>

result_type;

if (has_value(args...)) {

return optio