C++

std::optional, std::variant и std::expected

Используйте типы-суммы C++17/23 для представления nullable-значений, типобезопасных объединений и возвратов «значение или ошибка» — устраняя целые классы ошибок во время компиляции.

Типы-суммы: делаем невалидные состояния непредставимыми

Тип-сумма может содержать один из нескольких типов в любой момент, и компилятор гарантирует, что вы обработаете все возможности. C++17 ввёл std::optional и std::variant; C++23 добавил std::expected. Вместе они заменяют подверженные ошибкам паттерны:

- std::optional заменяет «вернуть T или значение-маркер / нулевой указатель»
- std::variant заменяет «union + тег-перечисление» (типобезопасный, без UB)
- std::expected заменяет «вернуть T или установить код ошибки»

Эти типы переносят проверку ошибок с дисциплины времени выполнения (надеясь, что программист не забудет проверить) на принудительное обеспечение времени компиляции (система типов заставляет правильно обрабатывать).

std::optional — nullable-значения без указателей

std::optional содержит либо значение T, либо ничего (std::nullopt). Он заменяет антипаттерн использования специальных значений-маркеров (-1, "", nullptr) для обозначения «нет значения».

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
    }
}

Монадические операции над std::optional (C++23)

C++23 добавляет and_then, transform и or_else к std::optional, позволяя функциональную цепочку без вложенных if-конструкций.

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 — типобезопасные объединения

std::variant содержит ровно один из своих шаблонных типов в любой момент. В отличие от C-объединений, он отслеживает, какой тип активен, и предотвращает обращение к неправильному. Используйте std::visit с визитором для обработки всех альтернатив.

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 — значение или ошибка (C++23)

std::expected содержит либо значение типа T, либо ошибку типа E. Это ответ C++ на Result из Rust. В отличие от исключений, вызывающий должен обработать ошибку явно. В отличие от кодов ошибок, ошибка может нести богатую информацию.

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';
}
Подводный камень

Эти типы мощные, но имеют острые углы при неправильном использовании.

  • Вызов .value() на пустом std::optional выбрасывает std::bad_optional_access — всегда проверяйте сначала или используйте value_or()
  • std::get(variant) для неправильного типа выбрасывает std::bad_variant_access — предпочитайте std::visit или std::get_if
  • std::variant с дублирующимися типами (например, variant) валиден, но сбивает с толку — используйте только доступ по индексу
  • Игнорирование ошибки в std::expected, всегда вызывая .value(), лишает смысла — проверяйте .has_value() или используйте монадические операции
  • std::optional не существует в стандарте (пока) — используйте std::optional> как обходной путь
Лучшая практика

Выбирайте правильный тип-сумму для каждой ситуации.

  • std::optional: значение, которое может не существовать — поиски, необязательные параметры, ленивая инициализация
  • std::variant: значение, которое может быть одним из нескольких типов — узлы AST, значения JSON, типы сообщений
  • std::expected: вычисление, которое может завершиться ошибкой — файловый ввод-вывод, разбор, валидация, всё что возвращает T или ошибку
Ключевые выводы
  • std::optional заменяет значения-маркеры и нулевые указатели типобезопасным «значение или ничего»
  • std::variant заменяет C-объединения типобезопасным размеченным объединением — используйте std::visit для исчерпывающей обработки
  • std::expected (C++23) — это Result в C++ — значение или ошибка с монадической цепочкой
  • Монадические операции C++23 (and_then, transform, or_else) позволяют создавать чистые конвейеры без вложенных блоков if
  • Типы-суммы переносят проверку ошибок с дисциплины времени выполнения на принудительное обеспечение времени компиляции

Тест — проверьте свои знания

(20 XP)

1. Что делает `std::optional::value_or(default)`?

2. В чём преимущество `std::visit` перед `std::get<T>` при работе с `std::variant`?

3. Чем `std::expected<T, E>` отличается от простого выбрасывания исключения?

Назад
Стратегии обработки ошибок: выбор правильного подхода
Далее
Типобезопасность, утверждения и контракты