手把手带你实现一个C++17的新特性 std::optional

C语言与CPP编程

optional 是C++17 引入的新特性，很多读者反馈自己的项目还停留在C++11标准，没办法使用C++17，也就没办法使用 optional，既然不能直接使用 std::optional，我们可以考虑自己实现一个。
其实optional的功能比较明确，它允许变量可能包含值也可能不包含值。
下面我将逐步解释如何自己实现一个简单的 optional 类：
nullopt_t 结构体

struct nullopt_t {    struct init {};    constexpr explicit nullopt_t(init) {}};constexpr nullopt_t nullopt{nullopt_t::init()};
这里定义一个nullopt_t，nullopt_t 是一个特殊类型，用来表示 optional 对象中没有值。我们定义了一个 init 结构体来确保 nullopt_t 的构造函数是显式的，避免不必要的隐式转换。
optional 类的构造函数

template typename T>class optional {public:    optional() : has_value_(false) {}    optional(nullopt_t) : has_value_(false) {}    optional(const T& value) : has_value_(true), value_(value) {}    optional(T&& value) : has_value_(true), value_(std::move(value)) {}};这些构造函数初始化 optional 对象。optional() 和 optional(nullopt_t) 构造函数将 has_value_ 设置为 false，表示没有值。其余两个构造函数分别接受左值引用和右值引用，初始化 value_ 并将 has_value_ 设置为 true。
拷贝和移动构造函数

optional(const optional& other)    : has_value_(other.has_value_), value_(other.value_) {}optional(optional&& other)    : has_value_(other.has_value_), value_(std::move(other.value_)) {}拷贝构造函数和移动构造函数用于创建一个新的 optional 对象，它们分别从另一个 optional 对象中拷贝或移动值。
拷贝和移动赋值运算符

optional& operator=(const optional& other) {    if (this != &other) {        has_value_ = other.has_value_;        value_ = other.value_;    }    return *this;}
optional& operator=(optional&& other) {    if (this != &other) {        has_value_ = other.has_value_;        value_ = std::move(other.value_);    }    return *this;}赋值运算符用于将一个 optional 对象的值赋给另一个 optional 对象。拷贝赋值运算符从另一个 optional 对象中拷贝值，而移动赋值运算符则移动值方便提高效率。
nullopt_t 赋值运算符和普通赋值运算符

optional& operator=(nullopt_t) {    has_value_ = false;    return *this;}
optional& operator=(const T& value) {    has_value_ = true;    value_ = value;    return *this;}
optional& operator=(T&& value) {    has_value_ = true;    value_ = std::move(value);    return *this;}这些赋值运算符允许我们将 nullopt 或一个具体值赋给 optional 对象。
检查值是否存在的方法

bool has_value() const { return has_value_; }has_value 方法返回一个布尔值，表示 optional 对象是否包含值。
获取值的方法

T& value() {    if (!has_value_) {        throw std::exception();    }    return value_;}
const T& value() const {    if (!has_value_) {        throw std::exception();    }    return value_;}value 方法返回 optional 对象中的值，如果没有值则抛出异常。
返回默认值的方法

T value_or(const T& default_value) const {    return has_value_ ? value_ : default_value;}value_or 方法返回 optional 对象中的值，如果没有值则返回默认值。
重载操作符

T& operator()() { return value(); }
const T& operator()() const { return value(); }
optional& swap(optional& other) {    std::swap(has_value_, other.has_value_);    std::swap(value_, other.value_);    return *this;}
T* operator->() { return &value(); }
const T* operator->() const { return &value(); }
T& operator*() { return value(); }
const T& operator*() const { return value(); }这里又重载了一些操作符，这些使 optional 对象的使用更加便捷。operator() 和 operator* 使得我们可以像使用普通对象一样使用 optional 对象。operator-> 提供了指针语法的支持。swap 方法交换两个 optional 对象的值。
私有成员变量

private:  bool has_value_;  T value_;};has_value_ 是一个布尔值，用来表示 optional 对象是否包含值。value_ 存储实际的值。
测试代码

int main() {    optionalint> opt1;    optionalint> opt2 = 42;    optionalint> opt3 = nullopt;
    std::cout "opt1 has value: " std::endl;    std::cout "opt2 has value: " std::endl;    std::cout "opt3 has value: " std::endl;
    if (opt2.has_value()) {        std::cout "opt2 value: " std::endl;    }
    opt3 = 10;    std::cout "opt3 value after assignment: " std::endl;
    opt3 = nullopt;    std::cout "opt3 has value after assigning nullopt: " std::endl;
    try {        std::cout "opt1 value: " std::endl;    } catch (const std::exception& e) {        std::cout "Exception caught: opt1 has no value" std::endl;    }
    optionalint> opt4 = opt2;    std::cout "opt4 value after copy construction: " std::endl;
    optionalint> opt5 = std::move(opt2);    std::cout "opt5 value after move construction: " std::endl;
    optionalint> opt6;    opt6 = opt4;    std::cout "opt6 value after copy assignment: " std::endl;
    optionalint> opt7;    opt7 = std::move(opt4);    std::cout "opt7 value after move assignment: " std::endl;
    optionalint> opt8 = 5;    std::cout "opt8 value before swap: " std::endl;    opt8.swap(opt7);    std::cout "opt8 value after swap: " std::endl;    std::cout "opt7 value after swap: " std::endl;
    std::cout "opt6 value_or test: " 100) std::endl;    std::cout "opt3 value_or test: " 100) std::endl;
    optionalstd::string> optStr = std::string("Hello, optional!");    if (optStr.has_value()) {        std::cout "optStr value: " std::endl;    }
    return 0;}在这个测试代码中，展示了如何使用我们实现的 optional 类。下面是每个测试部分的简要说明：
默认构造和空值初始化：
[/ol]

optionalint> opt1;optionalint> opt2 = 42;optionalint> opt3 = nullopt;创建三个optional 对象，其中一个无值，一个初始化为 42，一个初始化为 nullopt。
检查值是否存在：
[/ol]

std::cout "opt1 has value: " std::endl;std::cout "opt2 has value: " std::endl;std::cout "opt3 has value: " std::endl;使用 has_value() 方法检查每个 optional 对象是否包含值。
获取值：
[/ol]

if (opt2.has_value()) {    std::cout "opt2 value: " value() }在确保 optional 对象包含值后，使用 value() 方法获取值。
赋值操作：
[/ol]

opt3 = 10;std::cout "opt3 value after assignment: " std::endl;
opt3 = nullopt;std::cout "opt3 has value after assigning nullopt: " std::endl;展示了如何将值和 nullopt 赋给 optional 对象。
异常处理：
[/ol]

try {    std::cout "opt1 value: " std::endl;} catch (const std::exception& e) {    std::cout "Exception caught: opt1 has no value" std::endl;}如果尝试获取一个没有值的 optional 对象的值，会抛出异常。
拷贝和移动构造：
[/ol]

optionalint> opt4 = opt2;std::cout "opt4 value after copy construction: " std::endl;
optionalint> opt5 = std::move(opt2);std::cout "opt5 value after move construction: " std::endl;展示了如何通过拷贝和移动构造函数创建 optional 对象。
拷贝和移动赋值：
[/ol]

optionalint> opt6;opt6 = opt4;std::cout "opt6 value after copy assignment: " std::endl;
optionalint> opt7;opt7 = std::move(opt4);std::cout "opt7 value after move assignment: " std::endl;展示了如何通过拷贝和移动赋值操作符将值赋给 optional 对象。
交换值：
[/ol]

optionalint> opt8 = 5;std::cout "opt8 value before swap: " std::endl;opt8.swap(opt7);std::cout "opt8 value after swap: " std::endl;std::cout "opt7 value after swap: " std::endl;默认值获取：
[/ol]

std::cout "opt6 value_or test: " 100) std::endl;std::cout "opt3 value_or test: " 100) std::endl;使用 value_or 方法获取 optional 对象的值，如果没有值则返回默认值。
10. 字符串类型的 optional：

optionalstd::string> optStr = std::string("Hello, optional!");if (optStr.has_value()) {    std::cout "optStr value: " std::endl;}创建一个 optional 对象，并检查其值。
总结
通过上述代码和讲解，我们展示了如何实现一个简单的 optional 类。希望本文能帮助你更好地理解 std::optional 的实现原理。
下面为完整源代码

#include #include #include
struct nullopt_t {  struct init {};  constexpr explicit nullopt_t(init) {}};
constexpr nullopt_t nullopt{nullopt_t::init()};
template typename T>class optional { public:  optional() : has_value_(false) {}  optional(nullopt_t) : has_value_(false) {}  optional(const T& value) : has_value_(true), value_(value) {}  optional(T&& value) : has_value_(true), value_(std::move(value)) {}
  optional(const optional& other)      : has_value_(other.has_value_), value_(other.value_) {}  optional(optional&& other)      : has_value_(other.has_value_), value_(std::move(other.value_)) {}
  optional& operator=(const optional& other) {    if (this != &other) {      has_value_ = other.has_value_;      value_ = other.value_;    }    return *this;  }
  optional& operator=(optional&& other) {    if (this != &other) {      has_value_ = other.has_value_;      value_ = std::move(other.value_);    }    return *this;  }
  optional& operator=(nullopt_t) {    has_value_ = false;    return *this;  }
  optional& operator=(const T& value) {    has_value_ = true;    value_ = value;    return *this;  }
  optional& operator=(T&& value) {    has_value_ = true;    value_ = std::move(value);    return *this;  }
  bool has_value() const { return has_value_; }
  T& value() {    if (!has_value_) {      throw std::exception();    }    return value_;  }
  const T& value() const {    if (!has_value_) {      throw std::exception();    }    return value_;  }
  T value_or(const T& default_value) const {    return has_value_ ? value_ : default_value;  }
  T& operator()() { return value(); }
  const T& operator()() const { return value(); }
  optional& swap(optional& other) {    std::swap(has_value_, other.has_value_);    std::swap(value_, other.value_);    return *this;  }
  T* operator->() { return &value(); }
  const T* operator->() const { return &value(); }
  T& operator*() { return value(); }
  const T& operator*() const { return value(); }
private:  bool has_value_;  T value_;};
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