14 类型安全、std::optional⚓︎

类型安全：编程语言预防类型错误的效果程度，保证程序的行为正常。

观察下面的代码：

void removeOddsFromEnd(vector<int>& vec)
{
    while (vec.back() % 2 == 1)
    {
        vec.pop_back();
    }
}

它的问题是：当 vec 是一个空向量时，调用该函数就会产生未定义的行为(undefined behavior)：要么函数运行会失败，要么会得到垃圾值，要么得到一些意外的真实存在于内存的值。

解决方法：

• 修改 while 语句为：while(!vec.empty() && vec.back() % 2 == 1)，也就是说我们程序员应该预先设置 vec 为非空的条件，避免未定义的行为发生。
• 修改 vec.back() 函数，使其能够应对各种情况，从而保证确定性的行为

对于后一种方法，假设我们原来的 vec.back() 函数的定义如下：

valueType& vector<valueType>::back()
{
    return *(begin() + size() - 1);
}

如果 vector 为空，那么返回语句的指针将指向未知的一个内存未知，此时对该指针解引用就会造成未定义的行为。其中一种修改方案是在返回语句前先判断 vector 是否为空（本质上同方法一）：if (empty()) throw std::out_of_range;。

还可以有一个小改进：让函数再返回一个调用是否成功的信息，修改结果如下：

std::pair<bool, valueType&> vector<valueType>::back()
{
    if (empty())
        // 默认 valueType 存在构造函数，但调用成本较高
        return {false, valueType()};
    return {true, *(begin() + size() - 1)};
}

std::optional⚓︎

std::optional 是一种类模板，它的值要么是指定类型 T，要么为空（即 nullopt）

注：nullopt \(\ne\) nullptr（虽然我不清楚 nullptr 是什么）

下面这两条语句的意义相同：

// std::optional<int> num1;
num1 = {};
num1 = std::nullopt;

利用 std::optional，之前的 vec.back() 函数可以修改为：

std::optional<valueType> vector<valueType>::back()
{
    if (empty())
        return {};
    return *(begin() + size() - 1);
}

但这样修改后又出现一个问题：因为 std::optional 类型不能进行算术运算，所以与之前的 removeOddsFromEnd() 函数发生冲突。但是我们可以使用 value() 方法获取它的值，使其可以进行算术运算：

void removeOddsFromEnd(vector<int>& vec)
{
    while(vec.back().has_value() && vec.back().value() % 2 == 1)
    {
        vec.pop_back();
    }
}

也许你认为 while 语句的判断条件有点太长了，想要偷懒一点，将 vec.back().has_value 改为 vec.back()。虽然这样可行，但是请不要这么做！（具体原因目前不是很清楚）

void removeOddsFromEnd(vector<int>& vec)
{
    // lambda expression
    auto isOdd = [](optional<int> num)
    {
        if (num)
            return num % 2 == 1;
        else
            return std::nullopt;
    }
    while (vec.back().and_then(isOdd))
    {
        vec.pop_back();
    }
}

int thisFunctionSucks(vector<int>& vec)
{
    return vec[0];
}

// [] operator
valueType& vector<valueType>::operator[](size_t index)
{
    return *(begin() + index);
}

// .at() method
valueType& vector<valueType>::at(size_t index)
{
    if (index >= size()) 
        throw std::out_of_range; // 它会报错！
    return *(begin() + index);
}

使用 std::optional 作为函数返回类型的优劣：

• 优：
  • 能够使函数返回更有意义的内容
  • 类函数调用行为的正确性、安全性得到保证
• 劣：
  • 需要到处使用 .value() 方法
  • （在 C++ 中）很可能会遇到 bad_optional_access 错误
  • （在 C++ 中）该类型自身也存在未定义的行为（比如在使用 .value() 时没有进行错误检查）
  • ...

由于 std::optional 比较笨重，且运行速度慢，所以 C++ STL 的数据结构一般不会用到它。但是很多别的编程语言会用到类似 std::optional 的东西，比如 Rust、Swift、JavaScript 等。

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