T230807 Reviewing C++23 Monadic std::optional

今天再来看看 C++23 Monadic std::optional，在 Overview of C++23 Features 只是简单介绍了用法，这里来说说设计原理。

std::optional 是一个 Monad，这个概念源于 FP (Functional Programming)，对于 C++ coder 而言，理解起来并非易事。若是你熟悉 Haskell，这个就相当于里面的 Maybe。Monads 叫作单子，是范畴论里面的概念，若要完全弄懂的话需要扩展许多概念，不符合 TGS 的定位，因此这里只是小做介绍。

简单来说，Monads 是 FP 当中的一个抽象数据类型，抽象的目的在于表示计算过程。通过这种方式，能够减少重复代码，简化组合流程。

用下面的公式来解释一下：

m a \rarr (a \to m b) \rarr m b

(a \rarr m b) 表示操作，a 是输入类型，b 是输出类型。操作必须满足某种上下文，才能知道怎样处理，m 就指定了这个上下文。如果将其替换为一个针对 std::optional 的函数，会更加容易理解：

std::optional<int> f(std::optional<std::string> a);

因此，其实说的就是有一个输入 a，通过一个函数，得到一个输出 b。m 表示的就是 Monad，a 和 b 前面都有 m，表示它们必须处于一定的上下文才能调用这个函数。此处它们满足的上下文就是 std::optional，基于此，函数才能知道可以怎么操作输入和输出参数。

如果输入和输出参数的类型都是 Monads，那么多个函数 f(), g(), h()… 就能够很容易地组合起来使用。

那如何让 std::optional 成为一个 Monad 呢？看看 C++23 新加的三个成员：

• transform
• and_then
• or_else

具体意思不再赘述，transform 在 R1 中还叫 map，其实就和 Haskell 中的 map 相对应，and_then 对应 flatMap，or_else 用来处理错误。

只有 transform 时，术语称 std::optional 为 Functor（函子），这并不是 C++ 中的仿函数。Monads 是在 Functor 的基础上扩展了一些操作，and_then 就是其中之一。

来对比一下 Monadic std::optional 前后的操作。

// Monadic std::optional
std::optional<std::string> ostr("42");
auto out = ostr
            .and_then(std::stoi)
            .transform([](auto i) { return i * 2; } );

// Non-monadic std::optional
std::optional<std::string> ostr("42");
std::optional<int> out{};
if (ostr.has_value()) {
    out = std::stoi(ostr.value());
}
std::optional<int> final_out{};
if (out.has_value()) {
    final_out = out.value() * 2;
}

可以看到，Monadic std::optional 消除了大量重复的检查代码，让我们直接专注于程序逻辑，而不必再被那些次要的细枝末节分散注意力。

标准中还有许多的 Monads ，概念这里也没深入讲解，后面有空再来谈。