C++17 中的 std::optional 与异常安全

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在 C++17 标准中，std::optional 为可选值类型提供了一个极为便捷的包装器，既能避免不必要的动态内存分配，又能显式表达“有值”与“无值”两种状态。结合异常安全（Exception Safety）原则，std::optional 可以帮助我们在构造函数、赋值操作以及容器操作中更好地管理资源，避免资源泄漏和状态不一致。

1. std::optional 基础

#include <optional>
#include <iostream>

std::optional <int> getValue(bool flag) {
    if (flag) return 42;
    return std::nullopt;
}

int main() {
    auto opt = getValue(true);
    if (opt) std::cout << *opt << '\n';
    else     std::cout << "No value\n";
}
  • std::nullopt 表示“无值”状态。
  • operator bool() 用于检查是否包含值。
  • *opt 或 opt.value() 用于解包。

2. 异常安全与 std::optional

2.1 构造时的异常传播

struct Resource {
    Resource() { /* 可能抛异常 */ }
    ~Resource() { /* 资源释放 */ }
};

std::optional <Resource> makeResource(bool flag) {
    if (!flag) return std::nullopt;
    return Resource(); // 如果构造抛异常，std::optional 不会留下未初始化状态
}

如果 Resource() 在构造期间抛异常，std::optional 的内部状态保持为 nullopt，不会留下部分构造的对象。

2.2 赋值操作的强异常安全

std::optional<std::string> optStr = std::string("initial");
optStr.emplace("new value"); // 如果字符串构造抛异常，optStr 仍保持原值

emplace 在已有值时会先销毁旧值，然后尝试构造新值。若新值构造失败，旧值已被销毁，导致不可恢复的损失；但如果使用 swap 或者 try/catch 包装，可以实现强异常安全。

3. 与容器一起使用

#include <vector>
#include <optional>

std::optional <int> findFirstNegative(const std::vector<int>& vec) {
    for (int v : vec) {
        if (v < 0) return v;
    }
    return std::nullopt;
}

使用 std::optional 替代返回 -1 或者 bool 标记，能显式表达“存在/不存在”而不混淆值域。

4. 设计模式中的应用

4.1 工厂方法

std::optional<std::unique_ptr<Widget>> createWidget(const std::string& type) {
    if (type == "basic") return std::make_unique <BasicWidget>();
    if (type == "advanced") return std::make_unique <AdvancedWidget>();
    return std::nullopt; // 不支持的类型
}

消费者可以通过 if (auto w = createWidget("basic")) { ... } 检查创建是否成功，避免 nullptr 检查。

4.2 解析器

std::optional<std::pair<int, int>> parseRange(const std::string& str) {
    size_t dash = str.find('-');
    if (dash == std::string::npos) return std::nullopt;
    try {
        int start = std::stoi(str.substr(0, dash));
        int end   = std::stoi(str.substr(dash + 1));
        return std::make_pair(start, end);
    } catch (...) {
        return std::nullopt;
    }
}

解析错误返回 nullopt，使调用者能统一处理错误，而不必捕获异常。

5. 性能注意事项

  • `std::optional ` 的大小等于 `sizeof(T) + 1`（若 `T` 对齐需求低于 2），与 `T` 本身大小相近。使用时请评估是否真的需要可选状态，或直接使用指针/引用。
  • 对于大对象，最好使用 std::optional<std::shared_ptr<T>> 或 std::optional<std::unique_ptr<T>>，避免复制成本。

6. 小结

  • std::optional 是 C++17 的一项实用特性，能明确表达“有值”与“无值”，提高代码可读性和安全性。
  • 在异常安全方面，它能在构造或赋值失败时保持对象的合法状态，避免资源泄漏。
  • 与容器、工厂方法、解析器等场景结合，能使错误处理更自然、代码更简洁。

通过合理使用 std::optional，我们可以在保持异常安全的同时，让 C++ 代码更具可维护性与表达力。

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