std::optional 如何永远不会“异常无价值”？

Posted 2023-02-18

【中文标题】std::optional 如何永远不会“异常无价值”？

【英文标题】：How is std::optional never "valueless by exception"?

【发布时间】：2020-01-01 21:42:42

【问题描述】：

std::variant 可以进入一个名为“valueless by exception”的状态。

据我了解，造成这种情况的常见原因是移动分配引发了异常。变体的旧值不再保证存在，预期的新值也不再存在。

std::optional，然而，没有这样的状态。 cppreference 提出了大胆的主张：

如果抛出异常，*this ...的初始化状态不变，即如果对象包含值，它仍然包含值，反之亦然。

std::optional 如何避免成为“异常无价值”，而std::variant 则不然？

【参考方案1】：

optional<T> 具有以下两种状态之一：

T 空

A variant 只能在从一种状态转换到另一种状态时进入无价值状态，如果转换会抛出 - 因为您需要以某种方式恢复原始对象，并且这样做的各种策略需要额外的存储^{1、堆分配2或空状态3。}

但是对于optional，从T 过渡到空只是一种破坏。所以只有在T 的析构函数抛出时才会抛出，而且那时真的谁在乎。并且从空转换到 T 不是问题 - 如果抛出，很容易恢复原始对象：空状态是空的。

具有挑战性的案例是：emplace()，而我们已经有了T。我们必然需要销毁原始对象，那么如果 emplace 构造抛出，我们该怎么办？使用optional，我们有一个已知的、方便的空状态可以回退——所以设计就是为了做到这一点。

variant 的问题是没有那么容易恢复到的状态。

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¹ 和 boost::variant2 一样。² 和 boost::variant 一样。³ 我不确定的变体实现，但有一个设计建议，如果 variant<monostate, A, B> 持有 A 并转换到 B 时，它可以转换到 monostate 状态。

【讨论】：

我看不出这个答案如何解决 optional<T> 从 T 到不同的 T 状态的情况。注意emplace和operator=在进程中抛出异常的情况下会有不同的行为！

@MaxLanghof：如果构造函数抛出emplace，则optional 被明确声明为未使用。如果operator= 在构造过程中抛出，那么同样没有任何价值。 Barry 的观点仍然有效：它之所以有效，是因为optional 总是可以进入一个合法的空状态。 variant 没有那么奢侈，因为variant 不能为空。

@NicolBolas 困难的情况（也是与variant 问题最相似的情况）是当您有一个现有值时分配一个新值。而保持初始化状态的核心是使用T::operator=——这个特定的案例不涉及空的optional，也没有析构函数。由于此答案中涵盖的有关std::optional 的所有案例都涉及破坏或空状态，因此我认为缺少此重要案例（由其他答案涵盖）。不要误会我的意思，这个答案涵盖了所有其他方面就好了，但我必须自己阅读最后一个案例......

@MaxLanghof 与optional 有什么关系？它只是做类似**this = *other 的事情。

@L.F.这是重要的细节——它不会破坏并重新创建包含的实例，这与std::variant（或std::optional::emplace）不同。但我认为这归结为规范的哪些部分是显而易见的，哪些部分还有待解释。这里的答案在这方面有所不同，应该涵盖界面的不同可能的先入之见。

【参考方案2】：

“异常无价值”是指需要更改存储在变体中的类型的特定场景。这必然需要 1) 破坏旧值，然后 2) 在其位置创建新值。如果 2) 失败，您将无法返回（没有委员会无法接受的过度开销）。

optional 没有这个问题。如果对它包含的对象的某些操作引发异常，那就这样吧。物体还在。这并不意味着对象的状态仍然有意义——它是投掷操作留下的任何东西。希望该操作至少有基本的保证。

【讨论】：

“*this 的初始化状态没有改变”……我误解了那个说法吗？我想你是说它可能会变成没有意义的东西。

从optional 的角度来看，它仍然持有一个对象。该对象是否处于可用状态不是optional 关心的问题。

std::optional::operator= 使用T::operator= 而不是破坏+ 构造T 值是一个相当重要的细节。 emplace 执行后者（如果新值的构造抛出，则将 optional 留空）。

【参考方案3】：

std::optional 很简单：

它包含一个值并分配了一个新值： 很简单，只需委托给赋值运算符并让它处理它。即使出现异常，也会留下一个值。

它包含一个值，该值被删除： 很简单，dtor 不能扔。标准库通常假定用户定义的类型是这样的。

它不包含任何值，并且分配了一个值： 在构造异常的情况下恢复为无值很简单。

它不包含任何值，也没有赋值： 微不足道。

std::variant 在存储类型不变的情况下也有同样的轻松时间。 不幸的是，当分配了不同的类型时，它必须通过销毁先前的值来为它腾出位置，然后构造新值可能会抛出！

由于之前的值已经丢失了，怎么办？ 将其标记为异常无价值以具有稳定、有效但不受欢迎的状态，并让异常传播。

人们可以使用额外的空间和时间来动态分配值，将旧值临时保存在某个地方，在分配之前构造新值等等，但所有这些策略都是昂贵的，而且只有第一个总是有效的。