22|处理数据类型变化和错误：optional、variant、expected和Herbception

你好，我是吴咏炜。

我们之前已经讨论了异常是推荐的 C++ 错误处理方式。不过，C++ 里有另外一些结构也很适合进行错误处理，今天我们就来讨论一下。

optional

在面向对象（引用语义）的语言里，我们有时候会使用空值 null 表示没有找到需要的对象。也有人推荐使用一个特殊的空对象，来避免空值带来的一些问题 [1]。可不管是空值，还是空对象，对于一个返回普通对象（值语义）的 C++ 函数都是不适用的——空值和空对象只能用在返回引用 / 指针的场合，一般情况下需要堆内存分配，在 C++ 里会引致额外的开销。

C++17 引入的 optional 模板 [2] 可以（部分）解决这个问题。语义上来说，optional 代表一个“也许有效”“可选”的对象。语法上来说，一个 optional 对象有点像一个指针，但它所管理的对象是直接放在 optional 里的，没有额外的内存分配。

构造一个 optional<T> 对象有以下几种方法：

1. 不传递任何参数，或者使用特殊参数 std::nullopt（可以和 nullptr 类比），可以构造一个“空”的 optional 对象，里面不包含有效值。
2. 第一个参数是 std::in_place，后面跟构造 T 所需的参数，可以在 optional 对象上直接构造出 T 的有效值。
3. 如果 T 类型支持拷贝构造或者移动构造的话，那在构造 optional<T> 时也可以传递一个 T 的左值或右值来将 T 对象拷贝或移动到 optional 中。

对于上面的第 1 种情况，optional 对象里是没有值的，在布尔值上下文里，会得到 false（类似于空指针的行为）。对于上面的第 2、3 两种情况，optional 对象里是有值的，在布尔值上下文里，会得到 true（类似于有效指针的行为）。类似的，在 optional 对象有值的情况下，你可以用 * 和 -> 运算符去解引用（没值的情况下，结果是未定义行为）。

虽然 optional 是 C++17 才标准化的，但实际上这个用法更早就通行了。因为 optional 的实现不算复杂，有些库里就自己实现了一个版本。比如 cpptoml [3] 就给出了下面这样的示例（进行了翻译和重排版），用法跟标准的 optional 完全吻合：

auto val = config->
get_as<int64_t>(“my-int”);
// val 是 cpptoml::option<int64_t>

if (val) {
// *val 是 “my-int” 键下的整数值
} else {
// “my-int” 不存在或不是整数
}

cpptoml 里只是个缩微版的 optional，实现只有几十行，也不支持我们上面说的所有构造方式。标准库的 optional 为了方便程序员使用，除了我目前描述的功能，还支持下面的操作：

1. 安全的析构行为
2. 显式的 has_value 成员函数，判断 optional 是否有值
3. value 成员函数，行为类似于 *，但在 optional 对象无值时会抛出异常 std::bad_optional_access
4. value_or 成员函数，在 optional 对象无值时返回传入的参数
5. swap 成员函数，和另外一个 optional 对象进行交换
6. reset 成员函数，清除 optional 对象包含的值
7. emplace 成员函数，在 optional 对象上构造一个新的值（不管成功与否，原值会被丢弃）
8. make_optional 全局函数，产生一个 optional 对象（类似 make_pair、make_unique 等）
9. 全局比较操作
10. 等等

如果我们认为无值就是数据无效，应当跳过剩下的处理，我们可以写出下面这样的高阶函数：

template
constexpr bool has_value(
const optional& x) noexcept
{
return x.has_value();
}

template <typename T,
typename… Args>
constexpr bool has_value(
const optional& first,
const optional<
Args>&… other) noexcept
{
return first.has_value() &&
has_value(other…);
}

template
auto lift_optional(F&& f)
{
return f = forward(f) {
typedef decay_t<decltype(f(
forward<decltype(args)>(args)
.value()…))>
result_type;
if (has_value(args…)) {
return optional<result_type>(
f(forward<decltype(args)>(
args)
.value()…));
} else {
return optional<
result_type>();
}
};
}

has_value 比较简单，它可以有一个或多个 optional 参数，并在所有参数都有值时返回真，否则返回假。lift_optional 稍复杂些，它接受一个函数，返回另外一个函数。在返回的函数里，参数是一个或多个 optional 类型，result_type 是用参数的值（value()）去调用原先函数时的返回值类型，最后返回的则是 result_type 的 optional 封装。函数内部会检查所有的参数是否都有值（通过调用 has_value）：有值时会去拿参数的值去调用原先的函数，否则返回一个空的 optional 对象。

这个函数能把一个原本要求参数全部有效的函数抬升（lift）成一个接受和返回 optional 参数的函数，并且，只在参数全部有效时去调用原来的函数。这是一种非常函数式的编程方式。使用上面函数的示例代码如下：

#include
#include
#include
#include <type_traits>
#include

using namespace std;

// 需包含 lift_optional 的定义

constexpr int increase(int n)
{
return n + 1;
}

// 标准库没有提供 optional 的输出
ostream&
operator«(ostream& os,
optional(x))
{
if (x) {
os « ‘(’ « *x « ‘)’;
} else {
os « “(Nothing)”;
}
return os;
}

int main()
{
auto inc_opt =
lift_optional(increase);
auto plus_opt =
lift_optional(plus());
cout « inc_opt(optional())
« endl;
cout « inc_opt(make_optional(41))
« endl;
cout « plus_opt(
make_optional(41),
optional())
« endl;
cout « plus_opt(
make_optional(41),
make_optional(1))
« endl;
}

输出结果是：

(Nothing)

(42)

(Nothing)

(42)

variant

optional 是一个非常简单而又好用的模板，很多情况下，使用它就足够解决问题了。在某种意义上，可以把它看作是允许有两种数值的对象：要么是你想放进去的对象，要么是 nullopt（再次提醒，联想 nullptr）。如果我们希望除了我们想放进去的对象，还可以是 nullopt 之外的对象怎么办呢（比如，某种出错的状态）？又比如，如果我希望有三种或更多不同的类型呢？这种情况下，variant [4] 可能就是一个合适的解决方案。

在没有 variant 类型之前，你要达到类似的目的，恐怕会使用一种叫做带标签的联合（tagged union）的数据结构。比如，下面就是一个可能的数据结构定义：

struct FloatIntChar {
enum {
Float,
Int,
Char
} type;
union {
float float_value;
int int_value;
char char_value;
};
};

这个数据结构的最大问题，就是它实际上有很多复杂情况需要特殊处理。对于我们上面例子里的 POD 类型，这么写就可以了（但我们仍需小心保证我们设置的 type 和实际使用的类型一致）。如果我们把其中一个类型换成非 POD 类型，就会有复杂问题出现。比如，下面的代码是不能工作的：

struct StringIntChar {
enum {
String,
Int,
Char
} type;
union {
string string_value;
int int_value;
char char_value;
};
};

编译器会很合理地看到在 union 里使用 string 类型会带来构造和析构上的问题，所以会拒绝工作。要让这个代码工作，我们得手工加上析构函数，并且，在析构函数里得小心地判断存储的是什么数值，来决定是否应该析构（否则，默认不调用任何 union 里的析构函数，从而可能导致资源泄漏）：

~StringIntChar()
{
if (type == String) {
string_value.~string();
}
}

这样，我们才能安全地使用它（还是很麻烦）：

StringIntChar obj{
.type = StringIntChar::String,
.string_value = “Hello world”};
cout « obj.string_value « endl;

这里用到了按成员初始化的语法，把类型设置成了字符串，同时设置了字符串的值。不用说，这是件麻烦、容易出错的事情。同时，细查之后我发现，这个语法虽然在 C99 里有，但在 C++ 里要在 C++20 才会被标准化，因此实际是有兼容性问题的——老版本的 MSVC，或最新版本的 MSVC 在没有开启 C++20 支持时，就不支持这个语法。

所以，目前的主流建议是，应该避免使用“裸”union 了。替换方式，就是这一节要说的 variant。上面的例子，如果用 variant 的话，会非常的干净利落：

variant<string, int, char> obj{
“Hello world”};
cout « get(obj) « endl;

可以注意到我上面构造时使用的是 const char*，但构造函数仍然能够正确地选择 string 类型，这是因为标准要求实现在没有一个完全匹配的类型的情况下，会选择成员类型中能够以传入的类型来构造的那个类型进行初始化（有且只有一个时）。string 类存在形式为 string(const char*) 的构造函数（不精确地说），所以上面的构造能够正确进行。

跟 tuple 相似，variant 上可以使用 get 函数模板，其模板参数可以是代表序号的数字，也可以是类型。如果编译时可以确定序号或类型不合法，我们在编译时就会出错。如果序号或类型合法，但运行时发现 variant 里存储的并不是该类对象，我们则会得到一个异常 bad_variant_access。

variant 上还有一个重要的成员函数是 index，通过它我们能获得当前的数值的序号。就我们上面的例子而言，obj.index() 即为 1。正常情况下，variant 里总有一个有效的数值（缺省为第一个类型的默认构造结果），但如果 emplace 等修改操作中发生了异常，variant 里也可能没有任何有效数值，此时 index() 将会得到 variant_npos。

从基本概念来讲，variant 就是一个安全的 union，相当简单，我就不多做其他介绍了。你可以自己看文档来了解进一步的信息。其中比较有趣的一个非成员函数是 visit [5]，文档里展示了一个非常简洁的、可根据当前包含的变量类型进行函数分发的方法。

**平台细节：**在老于 Mojave 的 macOS 上编译含有 optional 或 variant 的代码，需要在文件开头加上：

#if defined(clang) && defined(APPLE)
#include <__config>
#undef _LIBCPP_AVAILABILITY_BAD_OPTIONAL_ACCESS
#undef _LIBCPP_AVAILABILITY_BAD_VARIANT_ACCESS
#define _LIBCPP_AVAILABILITY_BAD_OPTIONAL_ACCESS
#define _LIBCPP_AVAILABILITY_BAD_VARIANT_ACCESS
#endif

原因是苹果在头文件里把 optional 和 variant 在早期版本的 macOS 上禁掉了，而上面的代码去掉了这几个宏里对使用 bad_optional_access 和 bad_variant_access 的平台限制。我真看不出使用这两个头文件跟 macOS 的版本有啥关系。😞

expected

和前面介绍的两个模板不同，expected 不是 C++ 标准里的类型。但概念上这三者有相关性，因此我们也放在一起讲一下。

我前面已经提到，optional 可以作为一种代替异常的方式：在原本该抛异常的地方，我们可以改而返回一个空的 optional 对象。当然，此时我们就只知道没有返回一个合法的对象，而不知道为什么没有返回合法对象了。我们可以考虑改用一个 variant，但我们此时需要给错误类型一个独特的类型才行，因为这是 variant 模板的要求。比如：

enum class error_code {
success,
operation_failure,
object_not_found,
…
};

variant<Obj, error_code>
get_object(…);

这当然是一种可行的错误处理方式：我们可以判断返回值的 index()，来决定是否发生了错误。但这种方式不那么直截了当，也要求实现对允许的错误类型作出规定。Andrei Alexandrescu 在 2012 年首先提出的 Expected 模板 [6]，提供了另外一种错误处理方式。他的方法的要点在于，把完整的异常信息放在返回值，并在必要的时候，可以“重放”出来，或者手工检查是不是某种类型的异常。

他的概念并没有被广泛推广，最主要的原因可能是性能。异常最被人诟病的地方是性能，而他的方式对性能完全没有帮助。不过，后面的类似模板都汲取了他的部分思想，至少会用一种显式的方式来明确说明当前是异常情况还是正常情况。在目前的 expected 的标准提案 [7] 里，用法有点是 optional 和 variant 的某种混合：模板的声明形式像 variant，使用正常返回值像 optional。

下面的代码展示了一个 expected 实现 [8] 的基本用法。

#include
#include
#include
#include <tl/expected.hpp>

using namespace std;
using tl::expected;
using tl::unexpected;

// 返回 expected 的安全除法
expected<int, string>
safe_divide(int i, int j)
{
if (j == 0)
return unexpected(
“divide by zero"s);
if (i == INT_MIN && j == -1)
return unexpected(
“integer divide overflows"s);
if (i % j != 0)
return unexpected(
“not integer division"s);
else
return i / j;
}

// 一个测试函数
expected<int, string>
caller(int i, int j, int k)
{
auto q = safe_divide(j, k);
if (q)
return i + *q;
else
return q;
}

// 支持 expected 的输出函数
template <typename T, typename E>
ostream& operator«(
ostream& os,
const expected<T, E>& exp)
{
if (exp) {
os « exp.value();
} else {
os « “unexpected: "
« exp.error();
}
return os;
}

// 调试使用的检查宏
#define CHECK(expr) \
{ \
auto result = (expr); \
cout « result; \
if (result == \
unexpected( \
“divide by zero"s)) { \
cout \
« “: Are you serious?”; \
} else if (result == 42) { \
cout « “: Ha, I got you!”; \
} \
cout « endl; \
}

int main()
{
CHECK(caller(2, 1, 0));
CHECK(caller(37, 20, 7));
CHECK(caller(39, 21, 7));
}

输出是：

unexpected: divide by zero: Are you serious?

unexpected: not integer division

42: Ha, I got you!

一个 expected<T, E> 差不多可以看作是 T 和 unexpected<E> 的 variant。在学过上面的 variant 之后，我们应该很容易看明白上面的程序了。下面是几个需要注意一下的地方：

1. 如果一个函数要正常返回数据，代码无需任何特殊写法；如果它要表示出现了异常，则可以返回一个 unexpected 对象。
2. 这个返回值可以用来和一个正常值或 unexpected 对象比较，可以在布尔值上下文里检查是否有正常值，也可以用 * 运算符来取得其中的正常值——与 optional 类似，在没有正常值的情况下使用 * 是未定义行为。
3. 可以用 value 成员函数来取得其中的正常值，或使用 error 成员函数来取得其中的错误值——与 variant 类似，在 expected 中没有对应的值时产生异常 bad_expected_access。
4. 返回错误跟抛出异常比较相似，但检查是否发生错误的代码还是要比异常处理啰嗦。

Herbception

上面的用法初看还行，但真正用起来，你会发现仍然没有使用异常方便。这只是为了解决异常在错误处理性能问题上的无奈之举。大部分试图替换 C++ 异常的方法都是牺牲编程方便性，来换取性能。只有 Herb Sutter 提出了一个基本兼容当前 C++ 异常处理方式的错误处理方式 [9]，被戏称为 Herbception。

上面使用 expected 的示例代码，如果改用 Herbception 的话，可以大致如下改造（示意，尚无法编译）：

int safe_divide(int i, int j) throws
{
if (j == 0)
throw arithmetic_errc::
divide_by_zero;
if (i == INT_MIN && j == -1)
throw arithmetic_errc::
integer_divide_overflows;
if (i % j != 0)
throw arithmetic_errc::
not_integer_division;
else
return i / j;
}

int caller(int i, int j,
int k) throws
{
return i + safe_divide(j, k);
}

#define CHECK(expr) \
try { \
int result = (expr); \
cout « result; \
if (result == 42) { \
cout « “: Ha, I got you!”; \
} \
} \
catch (error e) { \
if (e == arithmetic_errc:: \
divide_by_zero) { \
cout \
« “Are you serious? “; \
} \
cout « “An error occurred”; \
} \
cout « endl

int main()
{
CHECK(caller(2, 1, 0));
CHECK(caller(37, 20, 7));
CHECK(caller(39, 21, 7));
}

我们可以看到，上面的代码和普通使用异常的代码非常相似，区别有以下几点：

1. 函数需要使用 throws（注意不是 throw）进行声明。
2. 抛出异常的语法和一般异常语法相同，但抛出的是一个 std::error 值 [10]。
3. 捕捉异常时不需要使用引用（因为 std::error 是个“小”对象），且使用一般的比较操作来检查异常“类型”，不再使用开销大的 RTTI。

虽然语法上基本是使用异常的样子，但 Herb 的方案却没有异常的不确定开销，性能和使用 expected 相仿。他牺牲了异常类型的丰富，但从实际编程经验来看，越是体现出异常优越性的地方——异常处理点和异常发生点距离较远的时候——越不需要异常有丰富的类型。因此，总体上看，这是一个非常吸引人的方案。不过，由于提案时间较晚，争议颇多，这个方案要进入标准至少要 C++23 了。我们目前稍稍了解一下就行。

更多技术细节，请查看参考资料。

内容小结

本讲我们讨论了两个 C++ 标准库的模板 optional 和 variant，然后讨论了两个标准提案 expected 和 Herbception。这些结构都可以使用在错误处理过程中——前三者当前可用，但和异常相比有不同的取舍；Herbception 当前还不可用，但有希望在错误处理上达到最佳的权衡点。

课后思考

错误处理是一个非常复杂的问题，在 C++ 诞生之后这么多年仍然没有该如何处理的定论。如何对易用性和性能进行取舍，一直是一个有矛盾的老大难问题。你的实际项目中是如何选择的？你觉得应该如何选择？

欢迎留言和我分享你的看法。

参考资料

[1] Wikipedia, “Null object pattern”. https://en.wikipedia.org/wiki/Null_object_pattern

[2] cppreference.com, “std::optional”. https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/optional

[2a] cppreference.com, “std::optional”. https://zh.cppreference.com/w/cpp/utility/optional

[3] Chase Geigle, cpptoml. https://github.com/skystrife/cpptoml

[4] cppreference.com, “std::optional”. https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/variant

[4a] cppreference.com, “std::optional”. https://zh.cppreference.com/w/cpp/utility/variant

[5] cppreference.com, “std::visit”. https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/variant/visit

[5a] cppreference.com, “std::visit”. https://zh.cppreference.com/w/cpp/utility/variant/visit

[6] Andrei Alexandrescu, “Systematic error handling in C++”. https://channel9.msdn.com/Shows/Going+Deep/C-and-Beyond-2012-Andrei-Alexandrescu-Systematic-Error-Handling-in-C

[7] Vicente J. Botet Escribá and JF Bastien, “Utility class to represent expected object”. http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2017/p0323r3.pdf

[8] Simon Brand, expected. https://github.com/TartanLlama/expected

[9] Herb Sutter, “P0709R0: Zero-overhead deterministic exceptions: Throwing values”. http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2018/p0709r0.pdf

[10] Niall Douglas, “P1028R0: SG14 status_code and standard error object for P0709 Zero-overhead deterministic exceptions”. http://www.open-std.org/jtc1/sc22/wg21/docs/papers/2018/p1028r0.pdf