如何使用 std::optional 进行现代 C++ 错误处理？

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在 C++17 之后，标准库引入了 std::optional，它可以用来替代传统的指针、错误码或异常，用来表示一个值可能不存在的情况。下面我们来看看如何在实际项目中使用 std::optional 来简化错误处理，并让代码更易读、可维护。

1. 典型场景：查找操作

假设我们有一个函数需要在容器中查找某个元素，如果找不到则返回错误。传统做法往往返回指针或使用异常。

int* findInVector(std::vector <int>& v, int target) {
    for (auto& x : v) {
        if (x == target) return &x;
    }
    return nullptr;          // 需要调用者检查
}

使用 std::optional：

std::optional <int> findInVector(const std::vector<int>& v, int target) {
    for (const auto& x : v) {
        if (x == target) return x;  // 直接返回值
    }
    return std::nullopt;            // 明确表示“无结果”
}

调用方：

auto opt = findInVector(v, 42);
if (opt) {
    std::cout << "Found: " << *opt << '\n';
} else {
    std::cout << "Not found\n";
}

2. 与异常比较

异常常用于不可恢复错误，或者需要在多层调用栈上传播的错误。std::optional 适用于可以在调用点直接处理的、频繁出现的“无结果”情况。若错误需要进一步处理，仍可以在 optional 外包裹 std::expected（C++23）或自定义错误类型。

3. 与错误码/状态模式结合

在需要返回错误信息时，可以将 std::optional 与 std::variant 或自定义错误结构组合：

struct Error {
    int code;
    std::string message;
};

using Result = std::variant<std::string, Error>; // 成功返回字符串，失败返回 Error

Result getUserName(int userId) {
    if (userId <= 0) {
        return Error{1001, "Invalid user id"};
    }
    // 假设查询数据库失败
    bool dbOk = false;
    if (!dbOk) {
        return Error{2002, "Database connection lost"};
    }
    return std::string("Alice");
}

4. 性能考虑

`std::optional

` 通常比指针更安全、更直观，但需要注意： – 对于大对象，最好使用 `std::optional<std::unique_ptr>` 或 `std::optional<std::shared_ptr>`，避免复制成本。 – `optional` 本身的占用空间为 `sizeof(T) + 1`（或更大，取决于对齐）。如果 `T` 很大，最好避免直接包装。 ### 5. 代码示例：解析配置文件 假设我们解析一个配置文件，键可能不存在。使用 `std::optional` 可以让调用者更清晰地知道键不存在的情况。 “`cpp #include #include #include #include class Config { public: Config(const std::unordered_map& data) : data_(data) {} std::optional get(const std::string& key) const { auto it = data_.find(key); if (it != data_.end()) { return it->second; } return std::nullopt; } private: std::unordered_map data_; }; int main() { std::unordered_map cfg = { {“host”, “localhost”}, {“port”, “5432”} }; Config config(cfg); if (auto host = config.get(“host”)) { std::cout << "Host: " << *host << '\n'; } else { std::cerr << "Error: 'host' key missing\n"; } if (auto timeout = config.get("timeout")) { std::cout << "Timeout: " << *timeout << '\n'; } else { std::cout << "No timeout specified, using default\n"; } } “` ### 6. 小结 – **可读性**：`std::optional` 明确表达“可能没有值”的语义，调用者不必再检查指针或错误码。 – **安全性**：避免空指针解引用，编译器能帮助捕获未检查的 `optional`。 – **可组合性**：与 `std::variant`、`std::expected` 等一起使用，构建更丰富的错误处理体系。 在实际项目中，建议： – 对于查找、解析等“可能无结果”场景使用 `std::optional`。 – 对于需要携带错误信息的情况，考虑使用 `std::expected`（C++23）或自定义错误类型。 – 对大对象使用指针包装，避免复制成本。 这样既能保持代码的简洁与安全，又能兼顾性能。祝编码愉快！</std::shared_ptr</std::unique_ptr

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