**如何在 C++ 中使用 std::variant 实现类型安全的联合？**

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std::variant 是 C++17 引入的一个类型安全的联合容器，它可以在运行时存储多种类型中的任意一种，并在访问时保证类型正确性。下面我们来详细讨论它的使用方法、典型场景以及常见 pitfalls，帮助你在项目中更好地利用 std::variant。

1. 基本语法

#include <variant>
#include <iostream>
#include <string>

using MyVariant = std::variant<int, double, std::string>;

int main() {
    MyVariant v = 10;          // 存储 int
    std::cout << std::get<int>(v) << "\n";

    v = 3.14;                  // 替换为 double
    std::cout << std::get<double>(v) << "\n";

    v = std::string{"hello"};  // 替换为 string
    std::cout << std::get<std::string>(v) << "\n";
}
  • 初始化：直接赋值或使用 MyVariant v{...};。
  • 访问：`std::get (v)`，若类型不匹配会抛出 `std::bad_variant_access`。
  • 查询当前类型：`std::holds_alternative (v)` 或 `v.index()`（返回当前索引）。

2. 访问器

  • **`std::get_if (&v)`** 返回指向当前值的指针，若类型不匹配返回 `nullptr`，避免异常。
if (auto p = std::get_if <double>(&v)) {
    std::cout << "double: " << *p << "\n";
}
  • std::visit
    访问所有可能类型，支持自定义访问者。
struct Visitor {
    void operator()(int i)          const { std::cout << "int: " << i << "\n"; }
    void operator()(double d)       const { std::cout << "double: " << d << "\n"; }
    void operator()(const std::string& s) const { std::cout << "string: " << s << "\n"; }
};

std::visit(Visitor{}, v);

3. 典型使用场景

场景 需求 方案
命令行参数解析 需要支持多种参数类型（int、float、string、bool） 用 std::variant 保存参数值，std::visit 统一处理
状态机 状态可能是不同的数据结构 每种状态用不同的 struct，存于 std::variant
事件系统 事件携带不同类型的数据 用 std::variant 保存事件数据，避免使用裸联合

4. 常见 Pitfalls 与最佳实践

  1. 异常安全
    std::variant 的析构是强安全的，但 std::get 若访问错误会抛出。建议使用 get_if 或 visit 以避免异常。
  2. 默认构造
    std::variant 必须有一个可默认构造的类型，否则需要显式指定初始值。 
    std::variant<std::string, int> v{}; // 会初始化为 std::string()
  3. 索引顺序
    index() 反映的是类型在定义时的顺序，从 0 开始。修改类型顺序会影响索引值，需谨慎使用索引。
  4. 性能考虑
    对于较大或复杂类型，建议使用指针或 std::shared_ptr 包装后存入 std::variant，避免拷贝开销。

5. 进阶技巧

5.1 std::holds_alternative 与 std::get_if 结合

if (std::holds_alternative<std::string>(v)) {
    std::cout << std::get<std::string>(v);
}

5.2 std::variant 与 std::optional

当你需要“无值”状态时，可以把 std::optional<std::variant<...>> 作为容器。

5.3 std::visit 与 std::apply 的组合

对于多维变体，可以先 std::apply 解析 tuple，再 std::visit 处理变体。

6. 小结

  • std::variant 为 C++17 起提供了类型安全的联合实现。
  • 通过 std::get_if、std::visit 等工具可以灵活、安全地访问和操作不同类型的值。
  • 在合适的场景（如命令行解析、状态机、事件系统）使用 std::variant 能显著提升代码可读性与安全性。

希望本文能帮助你更好地掌握 std::variant 的使用，提升 C++ 项目的代码质量。

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