最近在学习 c++ 17 的一些新特性，为了加强记忆和理解，把这些内容作为笔记记录下来，有理解不对的地方请指正，欢迎大家留言交流。
引言
在介绍之前，我们从一个问题出发，C++ 的函数如何返回多个值？
比较有年代感的一种做法是将返回值作为引用参数传入，函数的返回值用来标识运行状态，比如像下面这样
#include <iostream>
using namespace std;
int func(const string& in, string& out1, string& out2) {
if (in.size() == 0)
return 0;
out1 = "hello";
out2 = "world";
return 1;
}
int main() {
string out1, out2;
int status = func("hi", out1, out2);
if (status) {
cout << out1 << endl;
cout << out2 << endl;
}
return 0;
}
这种做法性能不错，但可读性会比较差，参数列表里既包含了入参也包含了出参，常见通过变量名前缀来标识，尤其是在出入参比较多的时候，后期维护会非常头疼。
在 C++ 11 中新增了 tuple 这种数据结构的支持，自然也可以使用 tuple 来实现多个返回值
#include <iostream>
#include <tuple>
using namespace std;
tuple<bool, string, string> func(const string& in) {
if (in.size() == 0)
return make_tuple(false, "", "");
return make_tuple(true, "hello", "world");
}
int main() {
if (auto [status, out1, out2] = func("hi"); status) {
cout << out1 << endl;
cout << out2 << endl;
}
return 0;
}
上面这段代码中的 `auto [status, out1, out2] = func("hi");` 是 C++ 17 中叫 Structured Bindings 的新特性，效果就是将多个返回值按照顺序绑定到方括号中的变量名中。
tuple 在这里用起来不是很爽的地方是需要刻意的记忆每个返回值的位置，在返回值数量比较多的时候就会带来比较大的困扰，返回值的语意表达的。
还有一种做法就是将函数返回值定义成一个结构体，同时要返回函数的运行状态，我们可以考虑把这两部分数据定义成一个 pair ，pair 可以理解为一种特殊的 tuple（只有 2 个元素的 tuple）。
#include <iostream>
using namespace std;
struct Out {
string out1 { "" };
string out2 { "" };
};
pair<bool, Out> func(const string& in) {
Out o;
if (in.size() == 0)
return { false, o };
o.out1 = "hello";
o.out2 = "world";
return { true, o };
}
int main() {
if (auto [status, o] = func("hi"); status) {
cout << o.out1 << endl;
cout << o.out2 << endl;
}
return 0;
}
目前这种做法可以做到让返回值更富有语意，并且可以很方便的扩展，如果要增加一个新的返回值，只需要扩展现有的结构体就可以了。正如上文所说，在 CppCoreGuidelines 中对于多返回值更建议使用 tuple 或 struct ，这样做能让返回值的语意更加明确。
最后这种做法中的 pair<bool, Out> 这个数据结构实现的功能就跟本文要介绍 std::optional 很相似了。
std::optional
From cppreference -std::optional
std::optional 是在 C++ 17 中引入到标准库中的，C++ 17 之前的版本可以通过 boost::optional 实现几乎相同的功能。
我们来看一下使用 std::optional 来实现上面那段代码的样子
#include <iostream>
#include <optional>
using namespace std;
struct Out {
string out1 { "" };
string out2 { "" };
};
optional<Out> func(const string& in) {
Out o;
if (in.size() == 0)
return nullopt;
o.out1 = "hello";
o.out2 = "world";
return { o };
}
int main() {
if (auto ret = func("hi"); ret.has_value()) {
cout << ret->out1 << endl;
cout << ret->out2 << endl;
}
return 0;
}
这段代码中我们看到了部分 std::optional 的用法，std::nullopt 是 C++ 17 中提供的没有值的 optional 的表达形式，等同于 { } 。
创建一个 optional 的方法：
// 空 optiolal
optional<int> oEmpty;
optional<float> oFloat = nullopt;
optional<int> oInt(10);
optional oIntDeduced(10); // type deduction
// make_optional
auto oDouble = std::make_optional(3.0);
auto oComplex = make_optional<complex<double>>(3.0, 4.0);
// in_place
optional<complex<double>> o7{in_place, 3.0, 4.0};
// initializer list
optional<vector<int>> oVec(in_place, {1, 2, 3});
// 拷贝赋值
auto oIntCopy = oInt;
访问 optional 对象中数据的方法：
// 跟迭代器的使用类似，访问没有 value 的 optional 的行为是未定义的
cout << (*ret).out1 << endl;
cout << ret->out1 << endl;
// 当没有 value 时调用该方法将 throws std::bad_optional_access 异常
cout << ret.value().out1 << endl;
// 当没有 value 调用该方法时将使用传入的默认值
Out defaultVal;
cout << ret.value_or(defaultVal).out1 << endl;
使用 std::optional 带来的好处：
- 省去了运行状态的 bool 值的声明，让代码更简洁，更注重返回值本身的语意
- 不用担心额外的动态内存分配，这一点会在后面的文章里详细展开
总结
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通过对多返回值的代码不断的重构，最后通过 std::optional 实现了一个比较满意的版本，不过在这个过程中我们还遗漏了异常处理的部分，目前的实现方式在出异常时我们只知道没有返回值，但为什么出现异常却无从得知，以及 std::optional 在内存和性能上的一些思考，还有 std::optional 其它场景下的应用介绍都放到下一篇文章里啦。