深入剖析boost::optional

一、簡介

boost::optional是boost庫中的一個模板類，它是一個封裝了一個可選對象（option value）的類。可選對象是一種可能存在，也可能不存在的值。

在實際編程中，我們常常會遇到需要對變量判定是否有值，如果有值才進行下一步操作的情況，這時候，我們常常會選擇使用指針類型並檢查是否為NULL或者採用某個特定值來表示缺少值的情況。這種處理方式相對非常繁瑣，代碼中充斥了大量的if-else語句，代碼可讀性大打折扣。而boost::optional則可以很方便地解決這個問題。

#include <boost/optional.hpp>
#include <iostream>

using namespace std;
using boost::optional;

int main()
{
    optional<int> i;
    cout << boolalpha << i.is_initialized() << endl; //輸出false
    i = 5;
    if(i)
    {
        cout << *i << endl; //輸出5
    }
    else
    {
        cout << "no value" << endl;
    }
    cout << i.value_or(0) << endl; //輸出5，如果i沒有值，則輸出0
    return 0;
}

二、優點

相比於使用指針或者某個特殊的值來表示缺少值的方法，使用boost::optional有以下優點：

1. 自然易讀

和用指針或者特殊值的方式相比，boost::optional的語義更加清晰明了，代碼更容易閱讀和理解。這是因為我們可以直接使用”.”和”->”訪問optional對象內部的值，而不必在代碼中添加大量的if-else分支來判斷對象的存在狀態。

//使用指針
int *p;
if(p == NULL)
{
    cout << "no value" << endl;
}
else
{
    cout << *p << endl;
}

//使用特殊值
int value = -1;
if(value == -1)
{
    cout << "no value" << endl;
}
else
{
    cout << value << endl;
}

//boost::optional
optional<int> i;
if(i)
{
    cout << *i << endl;
}
else
{
    cout << "no value" << endl;
}

2. 更加安全

和使用指針的方式相比，boost::optional更加安全。當我們使用指針訪問一個已經被釋放的對象時，程序會發生內存錯誤。而如果我們使用boost::optional，只有當確實存在值的時候才會去訪問其中的對象，這樣就不會出現訪問已經被釋放的對象的情況。

//使用指針
int *p = new int(5);
delete p;
cout << *p << endl; //程序會崩潰

//boost::optional
optional<int> i(5);
i.reset();
cout << *i << endl; //不會訪問，程序不會崩潰

三、API介紹

1. 構造函數

初始化boost::optional對象，一般有以下幾種方式：

1. 使用默認構造函數

optional<int> i; //i沒有值

2. 使用值（T類型的實例化對象）初始化

optional<int> i(5); //i有一個值為5

3. 使用boost::none初始化

optional<int> i(boost::none); //i沒有值

2. 拷貝構造函數

boost::optional對象支持拷貝構造和拷貝賦值，具體實現和普通類型的對象一樣。

optional<int> i(5);
optional<int> j(i); //j也有一個值為5

3. 重載運算符

boost::optional支持以下重載運算符：

1. bool類型重載：

可以通過使用bool()來判斷是否有值。如果有值，則返回true，否則返回false。

optional<int> i;
if(i)
{
    //i有值
}
else
{
    //i沒有值
}

if(bool(i))
{
    //i有值
}
else
{
    //i沒有值
}

2. 相等（==）和不相等（!=）運算符重載：

可以將boost::optional對象與T類型（對象或值）進行比較。如果optional對象有值，且該值與T對象相等，則返回true；否則返回false。

optional<int> i(5);
int j = 5;
if(i == j)
{
    //i和j的值相等
}
else
{
    //i和j的值不相等
}

int k = 6;
if(i != k)
{
    //i和k的值不相等
}
else
{
    //i和k的值相等
}

3. 指針重載：

我們可以使用”->”來訪問optional對象的值。如果optional對象沒有值，則會拋出一個boost::bad_optional_access異常。

optional<string> p("hello world");
cout << p->size() << endl;

optional<string> q;
cout << q->size() << endl; //會拋出異常

4. 解引用(*)運算符重載：

可以使用”*”來訪問optional對象內部存儲的值。如果optional對象沒有值，則會拋出一個boost::bad_optional_access異常。

optional<string> p("hello world");
cout << *p << endl;

optional<string> q;
cout << *q << endl; //會拋出異常

4. 函數成員

boost::optional提供了一系列函數成員來方便我們使用可選對象：

1. is_initialized()：

用於檢查對象是否被初始化，如果已經被初始化，則返回true，否則返回false。

optional<int> i;
cout << boolalpha << i.is_initialized() << endl; //false

i = 5;
cout << boolalpha << i.is_initialized() << endl; //true

2. reset()：

用於清除對象的值（不同於將它賦值為一個沒有值的optional對象）

optional<int> i(5);
i.reset(); //現在i沒有值

3. value()：

用於訪問optional對象的值。如果對象不包含值，則會拋出一個boost::bad_optional_access異常。

optional<int> i(5);
cout << i.value() << endl; //輸出5

optional<int> j;
cout << j.value() << endl; //會拋出異常

4. value_or()：

用於返回optional對象的值，如果對象沒有值，則返回一個默認值。

optional<int> i;
cout << i.value_or(0) << endl; //輸出0，因為i沒有值

i = 5;
cout << i.value_or(0) << endl; //輸出5

四、使用技巧

1. 使用optional作為函數返回類型：

我們可以使用boost::optional作為函數的返回類型，這樣就可以方便地處理函數返回值可能為空的情況。如果函數的調用方需要獲取函數返回值，則可以使用optional對象的value()函數訪問其內部存儲的值。如果函數沒有返回有效值，則可通過拋出異常的方式來通知調用方。如下面所示：

optional<int> getInt()
{
    int a = 5;
    bool exist = false; //假設a不一定有值

    if(exist)
    {
        return a;
    }
    else
    {
        return boost::none;
    }
}

int main()
{
    optional<int> i = getInt();
    if(i)
    {
        cout << i.value() << endl;
    }
    else
    {
        cout << "no value" << endl;
    }

    return 0;
}

2. 使用lambda表達式：

使用lambda表達式可以方便地處理optional對象的值。lambda表達式可以將我們的邏輯代碼和optional對象的判斷分支合併在一起，讓代碼更加簡潔易讀。如下面所示：

optional<int> i(5);
optional<int> j;
auto f = [](optional<int> a, optional<int> b)
{
    if(!a && !b)
    {
        cout << "no value" << endl;
    }
    else if(a && !b)
    {
        cout << *a << endl;
    }
    else if(!a && b)
    {
        cout << *b << endl;
    }
    else
    {
        cout << *a + *b << endl;
    }
};

f(i, j);  //輸出5
f(j, i);  //輸出5
f(i, optional<int>()); //輸出5
f(optional<int>(), j); //輸出no value
f(i, optional<int>(10)); //輸出15

總結

boost::optional提供了一種簡單、直觀的方法來處理可選對象。與使用指針或者某個特殊值的方式相比，boost::optional具有更好的代碼可讀性和安全性。此外，使用boost::optional還可以帶來一些比較方便的使用技巧。