C++那些事之玩转optional
C++那些事之玩转optional
0.导语
1.引入
2.简易版optional
3.指针版optional
4.pair版optional
5.storage版optional
6.union版optional
7.小项目：字符串转数字
0.导语
本节将会引入5个版本的optional实现，最终揭秘C++ STL optional实现，最后给出一个小项目作为练习的例子，让大家感受step by step学习的乐趣，所有代码、答案与相关参考资料，已更新于知识星球，欢迎大家加入学习。
1.引入
C++17之后，C++标准库提供了std::optional，它是一个管理可选包含值的类模板。可选类型或有时也称为Maybe类型表示可选值的封装。
The class template
std::optionalmanages an optional contained value, i.e. a value that may or may not be present.
cppreference:
https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/optional
那么在C++17之前自己实现的话，如何造一个std::optional?
2.简易版optional
第一个版本是比较简单的，我们引入bool变量来标记当前类模版是否办函值。
template <typename T>
class Optional {
private:bool hasValue;T value;
};在使用的地方：
if (optionalInt.hasValue()) {
} else {
}仔细想想这样子写有什么问题呢？
内存对齐开销，增加了bool+padding的开销。
构造T对象的开销，例如：T无效时，是没有必要的。
那么如何优化呢？
3.指针版optional
template <typename T>
class Optional {
private:std::unique_ptr<T> value;
};调用处:
if (val) {// has value
} else {// nullptr
}这个虽然解决了上述的问题，却引发了下面几个问题：
内存开销：
std::unique_ptr使用了堆内存来存储实际值。这意味着每个可选类型对象都需要额外的堆内存分配，这可能会导致内存开销增加。不能存储空值：
std::unique_ptr要求始终持有一个有效的指针，因此无法表示空值。如果你需要表示一个可选类型的空值状态，你可能需要引入其他的标志来表示空值状态。
对于第二点，给个示例，当直接获取数据是，此时应该预期返回空值，而不是nullptr。
// 报错：空指针
std::cout << "Value: " << optionalInt.getData() << std::endl;4.pair版optional
对于前面几个版本都有点问题，继续优化，我们不用unique_ptr，回到第一个版本，干掉bool变量不就解决了一开始的内存对齐问题吗。
template <typename T>
class Optional {
private:T data;
};在返回数据的时候带上bool标记不就行了。
std::pair<bool, T> getData() const {if (con) {return std::make_pair(true, data);} else {return std::make_pair(false, data);}
}调用的时候我们通过first、second这种方式语义太不明确了，接口不够清晰。
otherOptionalInt.getData().first
otherOptionalInt.getData().second5.storage版optional
我们希望可选对象默认情况下不构造包含的对象。实现它的一种方法是使用std::aligned_storage为所包含的对象保留空间，随后用placement new，即使用new运算符在现有位置构造一个对象。
template <typename T>
class Optional {private:using StorageType =typename std::aligned_storage<sizeof(T), alignof(T)>::type;StorageType data;bool hasValue;
};6.union版optional
在C++ stl中实现为：
struct _Empty_byte { };
union _Storage
{_Empty_byte _M_empty;_Up _M_value;
};使用处：
_Storage<_Stored_type> _M_payload;我们对这个做一层抽象，变为了当前的union版本实现：
struct _Empty_byte { };template <typename T>
class Optional {
private:union {T value;_Empty_byte empty;};bool hasValue;
}这下跟stl实现差不多了，缺了一些继承/封装等等。
7.小项目：字符串转数字
给大家布置一个课堂练习，壳子为，请补充完代码。
inline std::string trim(const std::string& s)
{}
template<typename T = int>
std::optional<T> stonum(const std::string& st)
{}// 调用
int main()
{string num;num = "n1";if (auto n = stonum(num); n.has_value())cout << num << " is integer " << *n << endl;elsecout << num << " is not an integer" << endl;num = "42z";if (auto n = stonum(num); n.has_value())cout << num << " is integer " << *n << endl;elsecout << num << " is not an integer" << endl;
}本节抽丝剥茧，一层层的揭开optional的实现，欢迎大家转发支持。
