**C++17 中的 std::optional：用法与典型场景**

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std::optional 是 C++17 标准库引入的一个容器类型，用来表示一个值可能存在也可能不存在。它相当于一种安全的“可空值”实现，避免了裸指针或 NULL 之类的做法。下面从定义、常用成员函数、构造方式、与容器的配合使用以及实际案例几个方面，全面剖析 std::optional 的使用方法。

1. 基本定义与语义

#include <optional>

std::optional <T> opt;      // 默认构造，表示空状态
std::optional <T> opt{};    // 同上
std::optional <T> opt = T{}; // 用 T 的默认构造初始化
std::optional <T> opt = value; // 用 value 初始化
  • opt 的类型是 `std::optional `，内部可能包含一个 `T` 实例，也可能是“空”。
  • 空状态的 optional 可以用 !opt 或 opt.has_value() 来判断。
  • 访问值的方式有两种：
    • opt.value()：返回 T，若为空会抛出 std::bad_optional_access。
    • opt.value_or(default_value)：返回 T，若为空则返回默认值。
    • 通过解引用 *opt 或成员访问 opt->。

2. 常用成员函数

函数 作用 说明
has_value() 判断是否包含值 等价于 !has_value()
operator bool() 隐式转换为 bool 方便在 if(opt) 里使用
value() 访问值 抛异常
value_or(default) 返回值或默认 无异常
operator*() 解引用 同 value()
operator->() 成员访问 同 value()
reset() 置为空 直接销毁内部对象
emplace(args...) 原地构造 提高性能
swap(other) 交换 与 std::swap 兼容

3. 构造方式与移动语义

// 直接传值
std::optional <int> a = 42;

// 传引用（不拷贝）
std::string str = "hello";
std::optional<std::string> b = str;   // 拷贝
std::optional<std::string> c = std::move(str); // 移动

// 传 nullptr
std::optional <int> n; // 空

// 使用 emplace 原地构造
std::optional<std::vector<int>> vec_opt;
vec_opt.emplace(5, 10); // 生成长度为5、元素全为10的 vector

std::optional 支持拷贝构造、移动构造和赋值运算符，复制时会根据内部类型决定拷贝或移动行为。

4. 与标准容器结合

4.1 作为 vector 的元素

std::vector<std::optional<int>> vec;
vec.push_back(1);
vec.push_back(std::nullopt); // 空
vec.emplace_back(3);

for (const auto& opt : vec) {
    if (opt) std::cout << *opt << ' ';
    else std::cout << "null ";
}

4.2 unordered_map 的值类型

std::unordered_map<std::string, std::optional<int>> map;
map["a"] = 10;
map["b"] = std::nullopt; // 关键字存在但没有值

4.3 std::variant 与 std::optional 的组合

std::variant<int, std::string, std::nullopt_t> v = 42;
if (std::holds_alternative <int>(v)) {
    int n = std::get <int>(v);
}

5. 常见应用场景

  1. 函数返回值可空
    对于可能失败的查询操作，使用 std::optional 代替裸指针或错误码：

    std::optional <User> findUserById(int id) {
    auto it = db.find(id);
    if (it != db.end()) return it->second;
    return std::nullopt;
}

  2. 延迟初始化
    延迟创建昂贵对象，直到真正需要时才构造：

    std::optional<std::unique_ptr<Expensive>> cache;
void useCache() {
    if (!cache) cache.emplace(std::make_unique <Expensive>());
    (*cache)->doSomething();
}

  3. 多态返回
    std::optional<std::variant<>> 可以表达多种可能返回类型，但更常见的做法是使用 std::variant 本身。

  4. 缺失配置
    读取配置文件时，某些字段可能缺失，直接返回 `std::optional

    `： “`cpp std::optional getConfigInt(const std::string& key); “`

  5. 命令行参数
    某些命令行选项可有可无，使用 optional 表达：

    std::optional<std::string> outputFile;

6. 性能注意事项

  • std::optional 在内部使用一个布尔值加上足够的空间来存放 T，对 POD 类型来说大小基本等于 sizeof(T) + 1，对复杂类型可能产生对齐填充。
  • 对于大对象建议使用 std::optional<std::shared_ptr<T>> 或 std::optional<std::unique_ptr<T>>，减少拷贝开销。
  • emplace 能避免不必要的拷贝，尤其在构造成本高的对象中更显优势。

7. 与 C++20 的 std::expected 对比

C++20 引入了 std::expected，用于表达成功或错误状态。std::optional 只关心值是否存在，没有错误信息。根据实际需求选择：

  • 需要错误码或异常信息 → std::expected<T, E>。
  • 只关心“有/无” → `std::optional `。

8. 小结

std::optional 是 C++17 提供的一种极简、类型安全的“可空”值容器。它简化了错误处理、延迟初始化、缺失值的表达，避免了指针和裸值混用导致的安全隐患。掌握其构造、成员函数以及与容器的配合使用，能让代码更加清晰、健壮。

提示：在使用 std::optional 时，一定要关注 value() 的异常抛出；若不想抛异常，使用 value_or() 或 operator*() 的前提是先检查 has_value()。这样才能保持代码的安全性与可读性。

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