C++ 功能库 — optional / variant / any / expected

概述

这四个类型解决了 C 语言中用 NULL/union/void*/errno 处理的不安全问题，提供类型安全的”值可能存在/不存在”、“值可能是几种类型之一”、“值可能是任意类型”、“值要么正确要么包含错误”的语义。

• optional: 值可能存在，也可能不存在（替代 NULL）
• variant: 类型安全的联合体，同一时刻持有一种类型（替代 union）
• any: 任意类型容器（替代 void*）
• expected (C++23): 要么是有用值，要么是错误（类似 Rust 的 Result）

核心组件

组件	说明	引入版本
optional<T>	可选值	C++17
nullopt	空 optional 的标志	C++17
variant<T...>	类型安全联合体	C++17
visit	访问 variant 当前持有的值	C++17
holds_alternative<T>(v)	检查 variant 是否持有 T 类型	C++17
any	任意类型容器	C++17
any_cast<T>(a)	从 any 中取出 T 类型的值	C++17
expected<T, E>	带错误的值	C++23

典型用法

optional —— 可选值

FUNCTION demo_optional:
    // 作为返回值
    FIND_USER = LAMBDA(id) -> OPTIONAL<STRING>:
        IF id IN database:
            RETURN database[id]
        ELSE:
            RETURN NULLOPT                 // 空
        END IF
    END LAMBDA

    result = FIND_USER(42)
    IF result.HAS_VALUE():
        PRINT result.VALUE()
    ELSE:
        PRINT result.VALUE_OR("Unknown")   // 提供默认值
    END IF

    // 安全解引用
    IF result: PRINT *result                // bool 转换
    p = result.PTR()                       // 返回 T*（指向值或 nullptr）

variant —— 类型安全联合体

FUNCTION demo_variant:
    USING Value = VARIANT<INT, DOUBLE, STRING>

    v = Value(42)                           // 持有 int
    v = 3.14                                // 持有 double（替换）
    v = STRING("hello")                     // 持有 string

    // 按类型取
    IF HOLDS<STRING>(v):
        PRINT GET<STRING>(v)
    END IF

    // visit: 必须覆盖所有类型
    VISIT(LAMBDA(x):
        PRINT "值是:", x, ENDL
    , v)

    // visit 带返回值
    len = VISIT(LAMBDA(x) -> SIZE_T:
        IF TYPEOF(x) IS STRING: RETURN x.SIZE()
        ELSE IF T == INT: RETURN NUM_DIGITS(x)
        ELSE: RETURN 0
    , v)

    // 错误取值抛异常: get<INT>(v) 当 v 是 string 时 → bad_variant_access

any —— 任意类型容器

FUNCTION demo_any:
    a = ANY(42)
    a = STRING("hello")
    a = 3.14

    // 必须知道当前类型才能取值
    IF a.TYPE() == TYPEID(INT):
        PRINT ANY_CAST<INT>(a)
    ELSE IF a.TYPE() == TYPEID(STRING):
        PRINT ANY_CAST<STRING>(a)
    END IF

    // 存储不同类型的消息
    messages = VECTOR<ANY>()
    messages.PUSH(ANY(42))
    messages.PUSH(ANY(STRING("text")))
    messages.PUSH(ANY(PAIR<INT, INT>{1, 2}))

expected —— 带错误的值 (C++23)

FUNCTION demo_expected:
    DIVIDE_SAFE = LAMBDA(a, b) -> EXPECTED<DOUBLE, STRING>:
        IF b == 0:
            RETURN UNEXPECTED("div by zero")
        ELSE:
            RETURN a / DOUBLE(b)
        END IF
    END LAMBDA

    result = DIVIDE_SAFE(10, 2)
    IF result:
        PRINT result.VALUE()               // 5.0
    ELSE:
        PRINT "error:", result.ERROR()
    END IF

    // 链式处理
    PRINT result.VALUE_OR(-1.0)             // 错误时默认值
    result.AND_THEN(LAMBDA(x):
        RETURN x * 2                        // 有值时继续
    )

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• pair / tuple: tuple — 多值聚合
• 智能指针: smart_ptr — optional 也可表达”可能为空”
• span: bitset — 数组视图
• C 对照: NULL/union/void*/errno 均无类型安全
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