C++

std::volitelné, std::varianta & std::očekávané

Použijte součtové typy C++17/23 k reprezentaci hodnot s možností null, typově bezpečných sjednocení a návratů hodnoty nebo chyby – eliminujte celé třídy chyb v době kompilace.

Typy součtů: Nereprezentovatelnost neplatných stavů

Typ součtu může kdykoli obsahovat jeden z několika typů a kompilátor zajistí, že zvládnete všechny možnosti. C++17 představilstd::optionalastd::variant; C++23 přidalstd::expected. Společně nahrazují vzory náchylné k chybám:

-std::optionalnahrazuje "návratTnebo sentinelovou hodnotu / nulový ukazatel"
-std::variantnahrazuje "union + tag enum" (typově bezpečné, bez UB)
-std::expectednahrazuje "vrátitTnebo nastavit kód chyby"

Tyto typy posouvají kontrolu chyb z runtime disciplíny (doufají, že si programátor zapamatuje kontrolu) do vynucení v době kompilace (typový systém si vynutí správné zacházení).

std::optional — Hodnoty s možnou hodnotou Null bez ukazatelů

std::optionalobsahuje buď hodnotuT, nebo nic (std::nullopt). Nahrazuje antipattern používání speciálních sentinelových hodnot (-1,"",nullptr) ve smyslu „žádná hodnota“.

optional_demo.cpp
#include <optional>
#include <string>
#include <map>
#include <iostream>

class UserDatabase {
public:
    void add(int id, const std::string& name) {
        users_[id] = name;
    }

    // Returns the user name, or std::nullopt if not found
    std::optional<std::string> find_user(int id) const {
        auto it = users_.find(id);
        if (it == users_.end()) {
            return std::nullopt;  // explicit "no value"
        }
        return it->second;  // implicit conversion to optional
    }

private:
    std::map<int, std::string> users_;
};

int main() {
    UserDatabase db;
    db.add(1, "Alice");
    db.add(2, "Bob");

    // Method 1: Check with has_value()
    auto result = db.find_user(3);
    if (result.has_value()) {
        std::cout << "Found: " << result.value() << '\n';
    } else {
        std::cout << "User not found\n";
    }

    // Method 2: value_or() with a default
    std::cout << db.find_user(1).value_or("<unknown>") << '\n';

    // Method 3: Boolean conversion (idiomatic)
    if (auto user = db.find_user(2)) {
        std::cout << "Found: " << *user << '\n';  // dereference like a pointer
    }
}

Monadické operace na std::volitelné (C++23)

C++23 přidáváand_then,transformaor_elsedostd::optional, což umožňuje zřetězení ve funkčním stylu bez vnořených příkazůif.

monadic_optional.cpp
#include <optional>
#include <string>
#include <charconv>
#include <iostream>

// C++23 monadic operations on std::optional

std::optional<std::string> get_env(const std::string& name) {
    const char* val = std::getenv(name.c_str());
    if (!val) return std::nullopt;
    return std::string(val);
}

std::optional<int> parse_int(const std::string& s) {
    int value{};
    auto [ptr, ec] = std::from_chars(
        s.data(), s.data() + s.size(), value);
    if (ec != std::errc{}) return std::nullopt;
    return value;
}

std::optional<int> validated_port(int port) {
    if (port > 0 && port < 65536) return port;
    return std::nullopt;
}

int main() {
    // Without monadic ops: nested ifs
    // With monadic ops (C++23): clean pipeline
    int port = get_env("PORT")
        .and_then(parse_int)        // std::optional<int>
        .and_then(validated_port)   // std::optional<int>
        .or_else([]() -> std::optional<int> {
            std::cerr << "Using default port\n";
            return 8080;
        })
        .value();

    std::cout << "Port: " << port << '\n';
}

std::variant — Typově bezpečné spojky

std::variantobsahuje vždy přesně jeden ze svých typů šablon. Na rozdíl od C union sleduje, který typ je aktivní, a zabraňuje přístupu ke špatnému. Použijtestd::visits návštěvníkem ke zpracování všech alternativ.

variant_json.cpp
#include <variant>
#include <string>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <cmath>

// A JSON-like value type using variant
struct JsonNull {};

using JsonValue = std::variant<
    JsonNull,                           // null
    bool,                               // true/false
    double,                             // number
    std::string,                        // string
    std::vector<struct JsonNode>        // array
>;

struct JsonNode {
    JsonValue value;
};

// Overloaded visitor pattern (C++17 trick)
template<class... Ts>
struct overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; };
template<class... Ts>
overloaded(Ts...) -> overloaded<Ts...>;

std::string to_string(const JsonValue& val) {
    return std::visit(overloaded{
        [](JsonNull) -> std::string { return "null"; },
        [](bool b)   -> std::string { return b ? "true" : "false"; },
        [](double d) -> std::string { return std::to_string(d); },
        [](const std::string& s) -> std::string {
            return "\"" + s + "\"";
        },
        [](const std::vector<JsonNode>& arr) -> std::string {
            std::string result = "[";
            for (std::size_t i = 0; i < arr.size(); ++i) {
                if (i > 0) result += ", ";
                result += to_string(arr[i].value);
            }
            return result + "]";
        }
    }, val);
}

int main() {
    JsonValue v1 = 3.14;
    JsonValue v2 = std::string("hello");
    JsonValue v3 = JsonNull{};

    std::cout << to_string(v1) << '\n';  // 3.140000
    std::cout << to_string(v2) << '\n';  // "hello"
    std::cout << to_string(v3) << '\n';  // null

    // std::holds_alternative and std::get
    if (std::holds_alternative<double>(v1)) {
        std::cout << "v1 is double: " << std::get<double>(v1) << '\n';
    }

    // std::get throws std::bad_variant_access if wrong type
    // std::get_if returns nullptr instead — safer
    if (auto* ptr = std::get_if<std::string>(&v2)) {
        std::cout << "v2 is string: " << *ptr << '\n';
    }
}

std::expected — Hodnota nebo chyba (C++23)

std::expectedobsahuje buď hodnotu typuT, nebo chybu typuE. Je to odpověď C++ na RustůvResult. Na rozdíl od výjimek volající musí zpracovat chybu explicitně. Na rozdíl od chybových kódů může chyba nést bohaté informace.

expected_demo.cpp
#include <expected>
#include <string>
#include <fstream>
#include <sstream>
#include <iostream>
#include <system_error>

enum class ParseError {
    FileNotFound,
    InvalidFormat,
    ValueOutOfRange
};

std::string to_string(ParseError e) {
    switch (e) {
        case ParseError::FileNotFound:   return "file not found";
        case ParseError::InvalidFormat:  return "invalid format";
        case ParseError::ValueOutOfRange: return "value out of range";
    }
    return "unknown";
}

std::expected<std::string, ParseError> read_file(const std::string& path) {
    std::ifstream file(path);
    if (!file.is_open()) {
        return std::unexpected(ParseError::FileNotFound);
    }
    std::ostringstream ss;
    ss << file.rdbuf();
    return ss.str();  // implicitly wraps in expected
}

std::expected<int, ParseError> parse_port(const std::string& content) {
    try {
        int port = std::stoi(content);
        if (port < 1 || port > 65535) {
            return std::unexpected(ParseError::ValueOutOfRange);
        }
        return port;
    } catch (...) {
        return std::unexpected(ParseError::InvalidFormat);
    }
}

int main() {
    // Monadic chaining (C++23)
    auto result = read_file("port.conf")
        .and_then(parse_port)
        .or_else([](ParseError e) -> std::expected<int, ParseError> {
            std::cerr << "Error: " << to_string(e)
                      << ", using default\n";
            return 8080;  // fallback
        });

    std::cout << "Port: " << result.value() << '\n';
}
Úskalí

Tyto typy jsou výkonné, ale při nesprávném použití mají ostré hrany.

  • Volání.value()na prázdnýstd::optional vyvolástd::bad_optional_access— vždy nejprve zkontrolujte nebo použijtevalue_or()
  • std::get(variant)na špatném typu vyvolástd::bad_variant_access– preferujtestd::visitnebostd::get_if
  • std::variants duplicitními typy (např.variant) je platný, ale matoucí – používejte pouze přístup založený na indexu
  • Ignorování chyby vstd::expected vždy voláním.value()maří účel — zkontrolujte.has_value()nebo použijte monadické operace
  • std::optionalneexistuje ve standardu (zatím) — použijtestd::optional>jako řešení
Osvědčený postup

Vyberte správný typ součtu pro každou situaci.

  • std::optional: Hodnota, která nemusí existovat – vyhledávání, volitelné parametry, líná inicializace
  • std::variant: Hodnota, která může být jedním z několika typů – uzly AST, hodnoty JSON, typy zpráv
  • std::expected: Výpočet, který může selhat – vstup/výstup souboru, analýza, ověření, cokoliv, co vrátíTnebo chybu
Klíčové poznatky
  • std::optionalnahrazuje sentinelové hodnoty a nulové ukazatele typově bezpečným „hodnotou nebo nic“
  • std::variantnahrazuje spojení C typově bezpečným značkovým spojením – pro vyčerpávající obsluhu použijtestd::visit
  • std::expected(C++23) jeResultC++ – hodnota nebo chyba s monadickým řetězením
  • Monadické operace C++23 (and_then,transform,or_else) umožňují čisté potrubí bez vnořených blokůif
  • Sum types move error checking from runtime discipline to compile-time enforcement

Kvíz — Otestujte své znalosti

(20 XP)

1. Co dělá`std::optional::value_or(default)`?

2. Jaká je výhoda`std::visit`oproti`std::get<T>`při práci s`std::variant`?

3. Jak se`std::expected<T, E>`liší od pouhého vyvolání výjimky?

Předchozí
Strategie řešení chyb: Výběr správného přístupu
Další
Typ Bezpečnost, tvrzení a smlouvy