C++17 和 C++20 中的新容器与工具：std::optional、std::variant 和 std::span

C++17 和 C++20 引入了三个重要的容器与工具：std::optional、std::variant 和 std::span，它们分别解决了值可能缺失、类型安全的联合以及视图抽象的问题。以下是对这三个特性的详细介绍：

一、std::optional：可能缺失的值

1. 基本概念

std::optional 表示一个可能存在或不存在的值，替代了使用空指针或特殊值（如 -1）表示缺失的传统方法。

2. 核心接口

#include <optional>// 创建optional
std::optional<int> maybe_value;  // 默认空
std::optional<int> opt1 = 42;    // 有值
std::optional<int> opt2 = std::nullopt;  // 空// 查询状态
bool has_value = opt1.has_value();  // true
bool is_empty = !opt1;              // false// 获取值
int value = opt1.value();           // 若为空则抛出异常
int value_or = opt1.value_or(0);    // 若为空则返回默认值
int direct = *opt1;                 // 解引用（不检查空值）

3. 应用场景

• 函数返回值：替代返回指针或错误码

  std::optional<User> find_user(std::string_view name) {if (exists(name)) {return get_user(name);}return std::nullopt;
  }
  

• 可能缺失的配置参数

  struct Config {std::optional<int> timeout;  // 可选超时时间
  };
  

二、std::variant：类型安全的联合

1. 基本概念

std::variant 表示一个可变类型，它可以持有多种类型中的某一种，但同一时间只能是其中一种类型。

2. 核心接口

#include <variant>// 定义variant
std::variant<int, std::string, double> var;  // 默认第一个类型（int）// 赋值
var = 42;                 // 持有int
var = "hello";            // 持有std::string
var = 3.14;               // 持有double// 查询当前类型
size_t index = var.index();  // 返回类型索引// 获取值
if (auto* p = std::get_if<int>(&var)) {// var 持有int
} else if (auto* p = std::get_if<std::string>(&var)) {// var 持有std::string
}// 访问（类型安全）
std::visit([](auto& value) {std::cout << "Value: " << value << '\n';
}, var);

3. 应用场景

• 异构数据结构

  using JsonValue = std::variant<std::nullptr_t, bool, int, double, std::string, std::vector<JsonValue>, std::map<std::string, JsonValue>>;
  

• 替代错误码

  using Result = std::variant<Data, ErrorCode>;Result process() {if (success) return data;else return ErrorCode::Failure;
  }
  

三、std::span：轻量级视图

1. 基本概念

std::span 表示一个连续内存区域的视图，它不拥有内存，类似于 std::string_view 对字符串的处理方式。

2. 核心接口

#include <span>// 创建span
std::vector<int> vec = {1, 2, 3, 4};
std::span<int> sp1(vec);             // 从vector创建
std::span<int> sp2(&vec[0], 3);      // 指定起始地址和长度
int arr[] = {5, 6, 7};
std::span<int> sp3(arr);             // 从数组创建// 访问元素
int first = sp1[0];                  // 下标访问
size_t size = sp1.size();            // 元素数量
bool empty = sp1.empty();            // 是否为空// 子视图
std::span<int> sub = sp1.subspan(1, 2);  // 从位置1开始的2个元素

3. 应用场景

• 函数参数：替代数组指针和长度的分离传递

  void process_data(std::span<const int> data) {// 处理数据，无需关心具体容器类型
  }process_data(vec);   // 传递vector
  process_data(arr);   // 传递数组
  

• 切片操作

  std::span<int> head = sp1.first(2);  // 前两个元素
  std::span<int> tail = sp1.last(2);   // 后两个元素
  

四、三者对比与配合使用

特性	std::optional	std::variant	std::span
用途	可能缺失的值	类型安全的联合	连续内存的视图
内存管理	包含值或为空	包含某一种类型的值	不拥有内存，指向现有数据
典型场景	函数返回值可能缺失	异构数据结构	泛型数据处理
空状态	有（std::nullopt）	无（必须包含一种类型）	无（但可能为空视图）

组合使用示例：

// 返回可选的span（可能为空）
std::optional<std::span<const int>> get_data() {if (has_data()) {return std::span(data_buffer);}return std::nullopt;
}// 处理可能是不同类型的数据源
using DataSource = std::variant<std::vector<int>, std::array<int, 10>>;void process(DataSource source) {std::visit([](auto& data) {std::span<const int> view(data);// 统一处理数据}, source);
}

五、性能与注意事项

1. 性能考量

• std::optional：通常为值大小 + 1字节标记（可能优化为零开销）
• std::variant：大小为最大类型 + 类型标记（通常为 size_t）
• std::span：零开销抽象（仅包含指针和长度）

2. 注意事项

• std::optional：避免过度使用，优先使用值语义
• std::variant：访问时需确保类型匹配（使用 std::get_if 或 std::visit）
• std::span：确保引用的内存有效（避免悬空span）

六、示例：综合应用

#include <iostream>
#include <optional>
#include <variant>
#include <span>
#include <vector>// 可能返回空的字符串处理函数
std::optional<std::string> format_data(std::span<const int> data) {if (data.empty()) return std::nullopt;std::string result;for (int value : data) {result += std::to_string(value) + " ";}return result;
}// 处理不同类型的数据源
using DataSource = std::variant<std::vector<int>, std::array<int, 5>>;std::optional<std::string> process(DataSource source) {return std::visit([](auto& data) -> std::optional<std::string> {std::span<const int> view(data);return format_data(view);}, source);
}int main() {std::vector<int> vec = {1, 2, 3};std::array<int, 5> arr = {4, 5, 6, 7, 8};if (auto result = process(vec); result.has_value()) {std::cout << "Vec: " << *result << '\n';}if (auto result = process(arr); result.has_value()) {std::cout << "Array: " << *result << '\n';}
}

std::optional、std::variant 和 std::span 是现代 C++ 中强大的工具，它们分别解决了值缺失、类型安全和内存视图的问题，使代码更安全、更简洁。合理使用这些特性可以减少错误，提高性能，并增强代码的表达力。