在C++的发展历程中，错误处理始终是开发者面临的挑战之一。从传统的错误码到异常机制，再到C++23引入的std::expected，语言不断演进以提供更安全、更直观的解决方案。本文将带你深入理解std::expected的设计哲学，并通过实际代码示例展示其强大功能。

1. 为什么需要std::expected？

传统C++错误处理主要有两种方式：
- 错误码：通过返回值或输出参数传递错误状态，但容易与正常逻辑混淆。
- 异常：虽能分离错误路径，但性能开销和复杂性常令人却步。

std::expected<T, E>应运而生，它封装了可能成功的结果（T）或错误（E），提供类型安全的统一接口，同时避免异常的开销。其核心思想源自函数式编程中的Either模式。

2. 基本用法

std::expected定义在<expected>头文件中，其声明如下：

template<class T, class E>
class expected;

示例1：简单返回值与错误

#include <expected>
#include <string>

std::expected<int, std::string> parse_number(const std::string& s) {
    try {
        return std::stoi(s);
    } catch (...) {
        return std::unexpected{"Invalid number"};
    }
}

int main() {
    auto result = parse_number("42");
    if (result) {
        std::cout << "Value: " << *result << "\n"; // 解引用获取值
    } else {
        std::cerr << "Error: " << result.error() << "\n";
    }
}

关键点：
- operator bool检查是否包含有效值。
- operator*或value()获取值（若无效则行为未定义）。
- error()获取错误对象。

3. 高级特性

链式操作：and_then/or_else

std::expected支持函数式风格的链式调用：

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

void demo_chain() {
    parse_number("10")
        .and_then([](int n) { return safe_divide(n, 2); })
        .transform([](int q) { return q * 100; })
        .or_else([](auto err) { 
            std::cerr << "Failed: " << err << "\n";
            return std::expected<int, std::string>{0}; 
        });
}

性能优势

与异常相比，std::expected无堆栈展开开销；与错误码相比，它强制开发者显式处理错误，避免遗漏。

4. 对比其他方案

| 方案 | 优点 | 缺点 |
|----------------|----------------------|----------------------|
| 错误码 | 简单、零开销 | 易忽略检查 |
| 异常 | 分离错误路径 | 性能不稳定 |
| std::expected | 类型安全、显式处理 | 语法稍复杂 |

5. 实际应用场景

• 文件操作：返回文件内容或错误详情。
• 网络请求：处理HTTP状态码与响应体。
• 解析器：组合多个可能失败的操作。

结语