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解读 C++23 std::expected 函数式写法

article 2025/1/7 4:58:12

文章目录

- 一, std::expected 基础概念
- - 1.1 什么是 std::expected?
  - 1.2 优势
  - 与 `std::optional` 和 `std::variant` 的区别
- 二, 函数式写法的功能和应用
- - 2.1 `transform` : 对"成功值"进行映射
  - - 基本用法
    - 完全返回不同类型
  - 2.2 `and_then` : 对"成功值"进行连续计算
  - 2.3 `transform_error` : 对"错误值"进行映射
  - 2.4 `or_else` : 对"错误值"进行连续计算
  - 小结
- 三, 总结

C++23 带来了一个重要的新功能—std::expected, 它提供了一种现代化的错误处理方式, 用于表示操作成功的返回值或失败的错误状态. 相比于传统的异常和错误码处理, std::expected 提供了更安全, 更便为, 更类似函数式编程的解决方案. 这篇博客将进一步探索它的基础概念和函数式写法.

一, std::expected 基础概念

1.1 什么是 std::expected?

std::expected 是一个模板类:

template <typename T, typename E>
class std::expected;

T: 用于表示成功情况下的返回值类型.
E: 用于表示失败情况下的错误值类型.

std::expected 会保存操作的两种状态: 成功或错误. 你可以通过下列方法进行状态检查:

has_value() : 判断是否包含成功值.
error() : 返回错误值.
value() : 返回成功值, 如果存在错误, 则抱押异常.

以下是一个基础示例:

#include <expected>
#include <iostream>
#include <string>

std::expected<int, std::string> divide(int a, int b) {
  if (b == 0) {
    return std::unexpected("Division by zero");
  }
  return a / b;
}

int main() {
  if (auto result = divide(10, 2); result) {
    std::cout << "Result: " << *result << '\n';
  } else {
    std::cout << "Error: " << result.error() << '\n';
  }

  if (auto result = divide(10, 0); result) {
    std::cout << "Result: " << *result << '\n';
  } else {
    std::cout << "Error: " << result.error() << '\n';
  }
  return 0;
}

1.2 优势

明确的错误处理: 强制检查成功或失败状态.
类型安全: 避免优化常规问题和异常处理的问题.
提高可读性: 代码更为清晰明业.

与 `std::optional` 和 `std::variant` 的区别

std::optional: 仅能表示值的存在或不存在, 无法描述失败的具体原因.
std::variant: 是多态类型容器, 可以容纳多种类型, 但不限定成功和错误的语义.
std::expected: 专门用于表示操作成功或失败, 语义明确, 适合函数式错误处理.

二, 函数式写法的功能和应用

2.1 `transform` : 对"成功值"进行映射

基本用法

transform 可以将 expected<T, E> 中的成功值转换为另一个类型, 并返回新的 expected<U, E>.

如果存在错误, 就直接跳过转换, 保留原错误.

示例:

#include <expected>
#include <iostream>
#include <string>

std::expected<int, std::string> divide(int a, int b) {
  if (b == 0) {
    return std::unexpected("Division by zero");
  }
  return a / b;
}

void with_transform(int a, int b) {
  auto result = divide(a, b).transform([](int value) {
    return value * 2;  // 成功值 * 2
  });

  if (result) {
    std::cout << "Success: " << *result << '\n';  // Success: 10
  } else {
    std::cout << "Error: " << result.error() << '\n';
  }
}

int main() {
  with_transform(10, 2);  // 输出: Success: 10
  with_transform(10, 0);  // 输出: Error: Division by zero
  return 0;
}

完全返回不同类型

transform 也支持将成功值转换为全新的类型:

auto process = divide(10, 2)
    .transform([](int value) {
        return std::to_string(value);      // int -> string
    })
    .transform([](const std::string& str) {
        return str.size();                 // string -> size_t
    });
// 结果为 expected<size_t, std::string>

2.2 `and_then` : 对"成功值"进行连续计算

如果需要在成功值上再调用一个返回 std::expected<...> 类型的函数, 可以使用 and_then.

示例:

std::expected<std::string, std::string> intToString(int x) {
    return std::to_string(x);
}

auto result = divide(10, 2)
    .and_then([](int value) {
        return intToString(value); // 调用另一个返回 expected的函数
    });
// result 类型为 expected<std::string, std::string>

如果需要连续计算, 可通过链式调用:

  // 可以连续计算多次
  auto finalResult =
      divide(10, 2)
          .and_then([](int value) {
            return divide(value, 2);  // 再次除法
          })
          .and_then([](int newValue) -> std::expected<int, std::string> {
            if (newValue == 2) {
              return std::unexpected("We don't like the value 2!");
            }
            return newValue * 10;
          });

任何一步出现错误, 后续操作都会被跳过.

2.3 `transform_error` : 对"错误值"进行映射

transform_error 用于对错误状态中的值进行转换:

auto result = divide(10, 0)
    .transform_error([](const std::string& err) {
        return "[Transformed Error] " + err;
    });

if (!result) {
    std::cout << result.error() << std::endl;
    // 输出: [Transformed Error] Division by zero
}

2.4 `or_else` : 对"错误值"进行连续计算

对错误值进行连续操作, 可以使用 or_else:

auto handleFileError = [](const std::string& err) {
    if (err == "File not found") {
        return "Default file content"; // 试图读取默认文件
    }
    return std::unexpected(err);
};

auto content = openFile("somefile.txt")
    .or_else(handleFileError);

if (!content) {
    std::cerr << "Error: " << content.error() << std::endl;
} else {
    std::cout << "Success: " << *content << std::endl;
}

小结

transform: 对成功值做"映射" (map), 从 expected<T, E> 得到 expected<U, E>.
and_then: 对成功值做"继续计算" (flatMap), 从 expected<T, E> 得到 expected<U, E>, 而不是嵌套的 expected<expected<...>>.
transform_error: 对错误值做"映射", 从 expected<T, E> 得到 expected<T, E2>.
or_else: 对错误值做"继续计算", 从 expected<T, E> 得到新的 expected<T, E>.