C++23中std::optional和std::expected的单子式操作-369IT编程

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C++23中std::optional和std::expected的单子式操作

一、引言

在C++编程中，错误处理和可选值的管理是非常重要的部分。C++17引入了std::optional，它提供了一种新的标准方式来表达可能缺失的值。而C++23在此基础上，不仅对std::optional进行了扩展，还引入了std::expected，并且为它们都提供了受函数式编程启发的新接口，特别是单子式操作（transform、or_else与and_then），这些操作可以简化代码并提高代码的可读性和可维护性。

二、std::optional和std::expected的基本概念

2.1 std::optional

std::optional<T>是一个类模板，它管理一个可选的容纳值，即这个值既可以存在也可以不存在。一种常见的使用情况是作为一个可能失败的函数的返回值。与其他手段，如std::pair<T, bool>相比，std::optional能更好地处理构造开销高昂的对象，并且更加可读，因为它显式表达了意图。例如：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <optional>  // 引入std::optional
#include <iostream>
std::optional<double> getValue(bool r) {
    if (r) {
        return 1.52;
    } else {
        return std::nullopt;
    }
}
int main() {
    auto value = getValue(true);
    if (value.has_value()) {
        std::cout << "Value: " << *value << std::endl;
    } else {
        std::cout << "No value" << std::endl;
    }
    return 0;
}

在这个例子中，getValue函数可能返回一个double值，也可能返回std::nullopt表示没有值。在main函数中，我们使用has_value成员函数检查返回值是否存在，如果存在则使用解引用运算符*来获取值。

2.2 std::expected

std::expected<T, E>是C++23标准库中的新成员，旨在提供一种类型安全的方式来表示可能成功或失败的操作结果。它将有效结果或错误封装在单个对象内，本质上表示类型为T的预期值或者类型为E的意外错误。与传统的错误处理技术（如异常或错误码）不同，std::expected避免了异常带来的复杂性和开销，使得编写健壮软件时更加方便。例如：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <expected>
#include <iostream>
#include <string>
enum class parse_error {
    invalid_input,
    overflow
};
auto parse_number(std::string_view& str) -> std::expected<double, parse_error> {
    // 解析逻辑
    // 如果解析失败，返回相应的错误
    return std::unexpected(parse_error::invalid_input);
    // 如果解析成功，返回预期的值
    return 3.14;
}
int main() {
    std::string_view input = "3.14";
    auto result = parse_number(input);
    if (result) {
        std::cout << "Parsed number: " << *result << std::endl;
    } else {
        switch (result.error()) {
            case parse_error::invalid_input:
                std::cout << "Invalid input" << std::endl;
                break;
            case parse_error::overflow:
                std::cout << "Overflow error" << std::endl;
                break;
        }
    }
    return 0;
}

在这个例子中，parse_number函数尝试解析一个字符串为double类型的数字。如果解析成功，它返回一个包含解析结果的std::expected对象；如果解析失败，它返回一个包含错误信息的std::expected对象。在main函数中，我们可以通过检查result是否为真来判断操作是否成功，如果成功则获取结果，否则处理相应的错误。

三、std::optional的单子式操作

3.1 transform

transform函数用于对std::optional中的值应用一个函数，并返回一个新的std::optional，其中包含应用函数后的结果。如果std::optional没有值，则返回一个空的std::optional。其函数原型如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

// 如果*this有值, 则返回F的结果(F返回不一定是optional<U>类型), 否则返回空的optional.
template<class F> constexpr auto transform(F&& f) &;
template<class F> constexpr auto transform(F&& f) const&;
template<class F> constexpr auto transform(F&& f) &&;
template<class F> constexpr auto transform(F&& f) const&&;

示例代码如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <optional>
#include <string>
int main() {
    std::optional<int> opt = 42;
    // 使用 transform 将 int 转换为 std::string
    std::optional<std::string> result = opt.transform([](int value) {
        return std::to_string(value);
    });
    if (result) {
        std::cout << "Transformed value: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "No value" << std::endl;
    }
    return 0;
}

在这个例子中，我们有一个包含int值的std::optional对象opt，通过transform函数将其中的int值转换为std::string类型，并将结果存储在新的std::optional对象result中。最后，我们检查result是否有值并输出相应的结果。

3.2 and_then

and_then函数用于链式调用一系列可能返回std::optional的操作。如果std::optional有值，则将该值传递给提供的函数，并返回该函数的结果；如果std::optional没有值，则直接返回一个空的std::optional。其函数原型如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

// 如果*this有值, 则返回F的结果(F必须返回optional<U>类型), 否则返回空的optional.
template<class F> constexpr auto and_then(F&& f) &;
template<class F> constexpr auto and_then(F&& f) const&;
template<class F> constexpr auto and_then(F&& f) &&;
template<class F> constexpr auto and_then(F&& f) const&&;

示例代码如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <optional>
#include <string>
std::optional<int> to_int(std::string_view sv) {
    int r {};
    auto [ptr, ec] { std::from_chars(sv.data(), sv.data() + sv.size(), r) };
    if (ec == std::errc())
        return r;
    else
        return std::nullopt;
}
int main() {
    std::optional<std::string> str_opt = "123";
    auto result = str_opt.and_then(to_int);
    if (result) {
        std::cout << "Converted integer: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Conversion failed" << std::endl;
    }
    return 0;
}

在这个例子中，我们有一个包含std::string的std::optional对象str_opt，通过and_then函数将其中的字符串转换为int类型。to_int函数尝试将字符串解析为整数，如果解析成功则返回一个包含整数的std::optional对象，否则返回std::nullopt。最后，我们检查result是否有值并输出相应的结果。

3.3 or_else

or_else函数用于在std::optional没有值的情况下提供一个默认值或执行一个替代操作。如果std::optional有值，则返回该值；如果没有值，则返回提供的函数的结果。其函数原型如下：

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// 如果*this有值, 则返回*this, 否则返回F的结果.
template<class F> constexpr auto or_else(F&& f) &;
template<class F> constexpr auto or_else(F&& f) const&;
template<class F> constexpr auto or_else(F&& f) &&;
template<class F> constexpr auto or_else(F&& f) const&&;

示例代码如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <optional>
#include <string>
int main() {
    using maybe_int = std::optional<int>;
    auto valueless = [] {
        std::cout << "Valueless: ";
        return maybe_int{0};
    };
    maybe_int x;
    std::cout << x.or_else(valueless).value() << '\n';
    x = 42;
    std::cout << "Has value: ";
    std::cout << x.or_else(valueless).value() << '\n';
    x.reset();
    std::cout << x.or_else(valueless).value() << '\n';
    return 0;
}

在这个例子中，我们定义了一个valueless函数，它在std::optional没有值时返回一个包含0的std::optional对象。然后我们创建了一个std::optional<int>对象x，并多次调用or_else函数。当x没有值时，or_else函数会调用valueless函数并返回其结果；当x有值时，or_else函数直接返回x的值。

四、std::expected的单子式操作

4.1 transform

transform函数用于对std::expected中的值应用一个函数，并返回一个新的std::expected，其中包含应用函数后的结果。如果std::expected包含错误，则直接返回包含相同错误的std::expected对象。示例代码如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <expected>
#include <string>
std::expected<int, std::string> increment(int value) {
    return value + 1;
}
int main() {
    std::expected<int, std::string> exp = 42;
    auto result = exp.transform(increment);
    if (result) {
        std::cout << "Transformed value: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Error: " << result.error() << std::endl;
    }
    return 0;
}

在这个例子中，我们有一个包含int值的std::expected对象exp，通过transform函数将其中的int值加1，并将结果存储在新的std::expected对象result中。最后，我们检查result是否包含值并输出相应的结果。

4.2 and_then

and_then成员函数用于链式调用一系列可能返回std::expected的操作。它在std::expected对象持有值时被调用，允许无缝地进行操作链，而无需在每个步骤后手动进行错误检查。示例代码如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <expected>
std::expected<int, std::string> incrementIfPositive(int value) {
    if (value > 0) 
        return value + 1;
    return std::unexpected("Value must be positive");
}
std::expected<int, std::string> getInput(int x) {
    if (x % 2 == 0)
        return x;
    return std::unexpected("Value not even!");
}
int main() {
    auto input = getInput(-2);
    auto result = input.and_then(incrementIfPositive);
    if (result)
        std::cout << *result << '\n';
    else
        std::cout << result.error() << '\n';
    return 0;
}

在这个例子中，getInput函数返回一个std::expected对象，如果输入是偶数则包含该偶数，否则包含错误信息。incrementIfPositive函数接受一个整数，如果该整数为正，则返回加1后的结果，否则返回错误信息。通过and_then函数，我们可以将这两个操作链起来，避免了手动的错误检查。

4.3 or_else

or_else函数用于在std::expected包含错误的情况下提供一个替代操作或默认值。如果std::expected包含值，则返回该值；如果包含错误，则调用提供的函数并返回其结果。示例代码如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <expected>
#include <string>
std::expected<int, std::string> divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        return std::unexpected("Division by zero");
    }
    return a / b;
}
std::expected<int, std::string> fallback() {
    return 0;
}
int main() {
    auto result = divide(10, 0).or_else(fallback);
    if (result) {
        std::cout << "Result: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Error: " << result.error() << std::endl;
    }
    return 0;
}

在这个例子中，divide函数尝试进行除法运算，如果除数为0则返回错误信息。fallback函数返回一个包含0的std::expected对象。通过or_else函数，当divide函数返回错误时，会调用fallback函数并返回其结果。

五、总结

C++23中为std::optional和std::expected引入的单子式操作（transform、or_else与and_then）为C++编程带来了更强大的功能和更简洁的代码风格。这些操作借鉴了函数式编程的思想，使得我们可以更方便地处理可选值和错误情况，避免了大量的手动错误检查和嵌套的if-else语句，提高了代码的可读性和可维护性。在实际开发中，合理使用这些操作可以让我们的代码更加健壮和优雅。

C++23中std::optional和std::expected的单子式操作

一、引言

二、std::optional和std::expected的基本概念

2.1 std::optional

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <optional>  // 引入std::optional
#include <iostream>
std::optional<double> getValue(bool r) {
    if (r) {
        return 1.52;
    } else {
        return std::nullopt;
    }
}
int main() {
    auto value = getValue(true);
    if (value.has_value()) {
        std::cout << "Value: " << *value << std::endl;
    } else {
        std::cout << "No value" << std::endl;
    }
    return 0;
}

2.2 std::expected

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <expected>
#include <iostream>
#include <string>
enum class parse_error {
    invalid_input,
    overflow
};
auto parse_number(std::string_view& str) -> std::expected<double, parse_error> {
    // 解析逻辑
    // 如果解析失败，返回相应的错误
    return std::unexpected(parse_error::invalid_input);
    // 如果解析成功，返回预期的值
    return 3.14;
}
int main() {
    std::string_view input = "3.14";
    auto result = parse_number(input);
    if (result) {
        std::cout << "Parsed number: " << *result << std::endl;
    } else {
        switch (result.error()) {
            case parse_error::invalid_input:
                std::cout << "Invalid input" << std::endl;
                break;
            case parse_error::overflow:
                std::cout << "Overflow error" << std::endl;
                break;
        }
    }
    return 0;
}

三、std::optional的单子式操作

3.1 transform

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

// 如果*this有值, 则返回F的结果(F返回不一定是optional<U>类型), 否则返回空的optional.
template<class F> constexpr auto transform(F&& f) &;
template<class F> constexpr auto transform(F&& f) const&;
template<class F> constexpr auto transform(F&& f) &&;
template<class F> constexpr auto transform(F&& f) const&&;

示例代码如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <optional>
#include <string>
int main() {
    std::optional<int> opt = 42;
    // 使用 transform 将 int 转换为 std::string
    std::optional<std::string> result = opt.transform([](int value) {
        return std::to_string(value);
    });
    if (result) {
        std::cout << "Transformed value: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "No value" << std::endl;
    }
    return 0;
}

3.2 and_then

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

// 如果*this有值, 则返回F的结果(F必须返回optional<U>类型), 否则返回空的optional.
template<class F> constexpr auto and_then(F&& f) &;
template<class F> constexpr auto and_then(F&& f) const&;
template<class F> constexpr auto and_then(F&& f) &&;
template<class F> constexpr auto and_then(F&& f) const&&;

示例代码如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <optional>
#include <string>
std::optional<int> to_int(std::string_view sv) {
    int r {};
    auto [ptr, ec] { std::from_chars(sv.data(), sv.data() + sv.size(), r) };
    if (ec == std::errc())
        return r;
    else
        return std::nullopt;
}
int main() {
    std::optional<std::string> str_opt = "123";
    auto result = str_opt.and_then(to_int);
    if (result) {
        std::cout << "Converted integer: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Conversion failed" << std::endl;
    }
    return 0;
}

3.3 or_else

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

// 如果*this有值, 则返回*this, 否则返回F的结果.
template<class F> constexpr auto or_else(F&& f) &;
template<class F> constexpr auto or_else(F&& f) const&;
template<class F> constexpr auto or_else(F&& f) &&;
template<class F> constexpr auto or_else(F&& f) const&&;

示例代码如下：

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <optional>
#include <string>
int main() {
    using maybe_int = std::optional<int>;
    auto valueless = [] {
        std::cout << "Valueless: ";
        return maybe_int{0};
    };
    maybe_int x;
    std::cout << x.or_else(valueless).value() << '\n';
    x = 42;
    std::cout << "Has value: ";
    std::cout << x.or_else(valueless).value() << '\n';
    x.reset();
    std::cout << x.or_else(valueless).value() << '\n';
    return 0;
}

四、std::expected的单子式操作

4.1 transform

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <expected>
#include <string>
std::expected<int, std::string> increment(int value) {
    return value + 1;
}
int main() {
    std::expected<int, std::string> exp = 42;
    auto result = exp.transform(increment);
    if (result) {
        std::cout << "Transformed value: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Error: " << result.error() << std::endl;
    }
    return 0;
}

4.2 and_then

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <expected>
std::expected<int, std::string> incrementIfPositive(int value) {
    if (value > 0) 
        return value + 1;
    return std::unexpected("Value must be positive");
}
std::expected<int, std::string> getInput(int x) {
    if (x % 2 == 0)
        return x;
    return std::unexpected("Value not even!");
}
int main() {
    auto input = getInput(-2);
    auto result = input.and_then(incrementIfPositive);
    if (result)
        std::cout << *result << '\n';
    else
        std::cout << result.error() << '\n';
    return 0;
}

4.3 or_else

代码语言：cpp代码运行次数：0运行复制

#include <iostream>
#include <expected>
#include <string>
std::expected<int, std::string> divide(int a, int b) {
    if (b == 0) {
        return std::unexpected("Division by zero");
    }
    return a / b;
}
std::expected<int, std::string> fallback() {
    return 0;
}
int main() {
    auto result = divide(10, 0).or_else(fallback);
    if (result) {
        std::cout << "Result: " << *result << std::endl;
    } else {
        std::cout << "Error: " << result.error() << std::endl;
    }
    return 0;
}

五、总结

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版权声明：本文标题：C++23中std::optional和std::expected的单子式操作内容由热心网友自发贡献，该文观点仅代表作者本人，转载请联系作者并注明出处：http://it.en369.cn/jiaocheng/1747411744a2165083.html，本站仅提供信息存储空间服务，不拥有所有权，不承担相关法律责任。如发现本站有涉嫌抄袭侵权/违法违规的内容，一经查实，本站将立刻删除。

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C++23中std::optional和std::expected的单子式操作

C++23中std::optional和std::expected的单子式操作

一、引言

二、std::optional和std::expected的基本概念

2.1 std::optional

2.2 std::expected

三、std::optional的单子式操作

3.1 transform

3.2 and_then

3.3 or_else

四、std::expected的单子式操作

4.1 transform

4.2 and_then

4.3 or_else

五、总结

C++23中std::optional和std::expected的单子式操作

一、引言

二、std::optional和std::expected的基本概念

2.1 std::optional

2.2 std::expected

三、std::optional的单子式操作

3.1 transform

3.2 and_then

3.3 or_else

四、std::expected的单子式操作

4.1 transform

4.2 and_then

4.3 or_else

五、总结

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