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前段时间小狐狸写了一点 Rust，最近因为要使用 Qt，回去继续写 C++，就很想在 C++ 里面使用 Rust 的许多常用的类型工具。在 Rust 中 Option<&T> 可以很方便地传递一个可能为空的引用，写得糙的话可以替代普通指针，并且避免空指针造成的错误。C++ 17 引入了一个名为 optional 的标准库容器，就有着与 Rust 的 Option 类似的功能。但由于 C++ 本身的一些局限，想用它伪造一个指针的替代物其实它远比想象得更复杂。
不过很多同学会问，既然 C++ 本身是有空指针的，为什么我们需要强行用 std::optional 来替代指针呢？为什么不能直接返回引用呢？这里我们看一个例子：
#include <vector>
#include <string>
#include <iostream>using namespace std;class BlackBox{public:void insert(const string& item){container.push_back(item);}string& get_ref(int i){return container[i];}private:vector<string> container;
};int main(){BlackBox box;box.insert("Hello");box.insert("world");// 输出 Hellocout << box.get_ref(0) << endl;box.get_ref(0) = "Hi";// 输出修改后的 Hicout << box.get_ref(0) << endl;// 崩溃或者 undefined behaviorcout << box.get_ref(2) << endl;
}
这里我们用一个名为 BlackBox 的类封装了一个 vector，并且可以通过 get_ref() 来得到某一项元素的引用。之所以选择引用而不是指针，是因为引用并不能直接创建，只能指向一个由其他对象管理的内存空间，因此可以避免一部分指针的问题（当然 Rust 的引用还能够进行所有权和生命周期检查，更为安全，在 C++ 里面我们就将就一下好了）。返回的引用也能更自然地进行赋值等操作。
然而这里有一个问题：对于最后我们如果试图获取一个不存在的元素的引用，应当返回什么？根据 vector 的文档，访问一个不存在的元素是未定义的行为，这显然是不好的。因此我们希望用 optional 将其包装，如果这个东西不存在，就返回空，而由调用者进行检查。首先我们尝试不返回引用，而是返回一个值：
#include <optional>
#include <vector>
#include <string>
#include <iostream>using namespace std;class BlackBox{public:void insert(const string& item){container.push_back(item);}optional<string> get(int i){if (i >=0 && i < container.size()) {return optional<string>(container[i]);} else {return nullopt;}}private:vector<string> container;
};
int main(){BlackBox box;box.insert("Hello");box.insert("world");// 输出 Hellocout << box.get(0).value_or("None") << endl;// 输出 Nonecout << box.get(2).value_or("None") << endl;
}
到这一步一切都很正常，第一个输出指令成功输出了 Hello，而第二个则输出了 None。现在让我们尝试换成返回引用：
class BlackBox{public:void insert(const string& item){container.push_back(item);}optional<string&> get(int i){if (i >=0 && i < container.size()) {return optional<string>(container[i]);} else {return nullopt;}}private:vector<string> container;
};
仅仅将 optional<string> 换成 optional <string&>，就会产生一大堆编译错误，让人摸不着头脑。究其根本原因是 C++ 标准库容器一般而言只能保存可复制、可用于赋值的类型，而引用并不满足这个要求。为此我们需要使用一个名为 reference_wrapper 的东西将引用转化成一个普通对象进行操作。而要从 reference_wrapper 中获取引用，则要调用它的 get() 方法：
#include <optional>
#include <functional>
#include <vector>
#include <string>
#include <iostream>using namespace std;class BlackBox{public:void insert(const string& item){container.push_back(item);}optional<reference_wrapper<string>> get(int i){if (i >=0 && i < container.size()) {return optional<reference_wrapper<string>>(container[i]);} else {return nullopt;}}private:vector<string> container;
};
int main(){BlackBox box;box.insert("Hello");box.insert("world");auto ref_opt = box.get(0);if (ref_opt.has_value()) {// 从 optional 中获取 reference_wrapper<string>auto ref = ref_opt.value();// ref.get() 的返回值是 string& 类型，因此可以输出、修改// 这一步输出 Hellocout << ref.get() << endl;ref.get() = "Hi";} else {cout << "None" << endl;}ref_opt = box.get(0);if (ref_opt.has_value()) {// 这里输出 Hicout << ref_opt.value().get() << endl;}// 这里 ref_opt 得到的是 nulloptref_opt = box.get(2);cout << (ref_opt.has_value() ? ref_opt.value().get() : "None") << endl;
}
整个程序变复杂了许多，然而通过两层包装，我们得到了一个安全的返回引用的方式，除了生命周期检查，基本和 Rust 的 Option<&mut T> 等价，唯一不同的是有一个 get() 方法的开销，但这个可以让编译器内联优化抹平，也不是什么问题。
好奇的同学可能会问，reference_wrapper 究竟是什么魔法，能把引用包装成可以操作访问的东西的？在 GNU C++ 标准库的实现中，它其实是保存了引用所对应的指针，所以搞到最后操作的还是指针，只是通过一个封装来规避危险的操作而已。