**如何在 C++17 中使用 `std::variant` 进行类型安全的错误处理？**

作者

C++17 引入了 std::variant，它是一个类型安全的联合体，允许在编译时指定一组可能的类型。结合 std::monostate、std::visit 以及 std::optional，我们可以实现一个类似于 Rust 的 Result<T, E> 结构，用来在函数调用中携带成功值或错误信息，而不必依赖异常。下面展示一个完整示例，并解释关键实现细节。

1. 设计 Result

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

template <typename T, typename E>
class Result {
public:
    // 构造成功结果
    static Result ok(T value) { return Result(std::move(value)); }

    // 构造错误结果
    static Result err(E error) { return Result(std::move(error)); }

    // 判断是否成功
    bool is_ok() const noexcept { return std::holds_alternative <T>(data_); }

    // 获取成功值（若失败则抛异常）
    T unwrap() && {
        if (!is_ok()) throw std::runtime_error("Called unwrap on Err");
        return std::move(std::get <T>(data_));
    }

    // 获取错误值（若成功则抛异常）
    E unwrap_err() && {
        if (is_ok()) throw std::runtime_error("Called unwrap_err on Ok");
        return std::move(std::get <E>(data_));
    }

private:
    // 私有构造，强制使用工厂方法
    explicit Result(T value) : data_(std::move(value)) {}
    explicit Result(E error) : data_(std::move(error)) {}

    std::variant<T, E> data_;
};

说明

  • std::variant<T, E> 存储两种可能的状态，编译期保证类型安全。
  • ok 与 err 两个静态工厂方法分别生成成功与错误实例。
  • unwrap 与 unwrap_err 通过 std::move 返回内部值，避免拷贝。
  • 对错误情况使用 throw 抛出异常；如果需要完全无异常的设计，可返回 `std::optional ` 等。

2. 示例：文件读取

Result<std::string, std::string> read_file(const std::string& path) {
    std::ifstream in(path);
    if (!in) {
        return Result<std::string, std::string>::err("无法打开文件：" + path);
    }
    std::ostringstream ss;
    ss << in.rdbuf();
    if (in.fail() && !in.eof()) {
        return Result<std::string, std::string>::err("读取文件失败：" + path);
    }
    return Result<std::string, std::string>::ok(ss.str());
}

3. 调用与错误处理

int main() {
    auto res = read_file("example.txt");
    if (res.is_ok()) {
        std::string content = std::move(res).unwrap();
        std::cout << "文件内容：" << content << '\n';
    } else {
        std::string err_msg = std::move(res).unwrap_err();
        std::cerr << "错误：" << err_msg << '\n';
    }
    return 0;
}

优点

  • 类型安全：编译器检查 Ok 与 Err 的返回类型，避免错误的类型转换。
  • 无异常：若不想使用异常，完全可以把 unwrap 与 unwrap_err 改为返回 std::optional 或 std::pair<bool, T>。
  • 可组合：可以使用 std::visit 对 Result 进行模式匹配，构建链式调用。

4. 进阶：使用 std::expected（C++23 预览）

C++23 标准库已经提供了 std::expected<T, E>，其功能与上述 Result 完全相同。若项目使用 C++23，可直接替换为：

#include <expected>
using Result = std::expected<std::string, std::string>;

5. 小结

  • std::variant 在 C++17 中为实现类似 Rust Result 的错误处理提供了最直接的工具。
  • 通过自定义包装类，可以轻松实现成功/错误两种状态，并利用 std::visit 进行模式匹配。
  • 代码可在不使用异常的情况下实现清晰的错误传播，既保持了性能，又保证了可读性。

将上述模式应用到项目中，可以让错误处理更加明确、可维护，并且与现代 C++ 语言特性高度契合。

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