**C++17 中 std::variant 的全景指南**

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std::variant 是 C++17 标准库新增的一个强类型联合体，允许在编译时定义一组可能的类型，并在运行时保持其中之一。相比传统的 union，std::variant 更加安全、易用，并且可以和现代 C++ 的类型推导、std::visit 等特性无缝协作。本文将系统讲解 std::variant 的基本概念、常用接口、访问技巧以及在实际项目中的应用场景。

1. 基本定义与构造

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

std::variant<int, double, std::string> v1 = 42;          // 默认值为 int
std::variant<int, double, std::string> v2 = 3.14;        // 也可以直接赋值 double
std::variant<int, double, std::string> v3 = "hello";     // 字符串会被自动包装为 std::string
  • 类型参数：std::variant<Ts...> 中的 Ts... 必须是完整类型，且不能是同一类型的别名或重复类型。
  • 构造：支持默认构造（值为第一个类型的默认值）和直接初始化。若使用 in_place_type_t 可以显式指定存储的类型。
std::variant<int, std::string> v4(std::in_place_type<std::string>, "foo");

2. 访问与检查

2.1 std::get 与 std::get_if

int i = std::get <int>(v1);          // 取出 int
// std::get <double>(v1);            // 运行时异常 std::bad_variant_access
auto p = std::get_if <double>(&v1); // 指针返回 nullptr 表示类型不匹配

2.2 index() 与 valueless_by_exception()

size_t idx = v1.index();            // 返回当前存储的类型在模板参数列表中的索引
bool empty = v1.valueless_by_exception(); // 由于异常导致失去存储

3. 访问器 std::visit

最强大的访问机制。通过自定义访客结构体或 lambda 来对不同类型执行不同逻辑。

auto visitor = [](auto&& arg) {
    using T = std::decay_t<decltype(arg)>;
    if constexpr (std::is_same_v<T, int>) {
        std::cout << "int: " << arg << '\n';
    } else if constexpr (std::is_same_v<T, double>) {
        std::cout << "double: " << arg << '\n';
    } else if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>) {
        std::cout << "string: " << arg << '\n';
    }
};

std::visit(visitor, v1);
std::visit(visitor, v2);
std::visit(visitor, v3);

4. 典型使用场景

  1. 实现多态容器
    传统多态需要基类指针，容易导致内存泄漏。std::variant 可以在编译期确定类型集，避免运行时动态分配。

  2. 返回多种错误码或结果
    在函数返回值中既可包含成功结果也可包含错误信息：

    using Result = std::variant<std::string, std::exception_ptr>;
Result parse(const std::string& s) {
    if (s == "ok") return "Parsed OK";
    else return std::make_exception_ptr(std::runtime_error("Parse failed"));
}

  3. 状态机实现
    状态机的不同状态可以用 variant 表示，每个状态持有不同的数据结构。

5. 性能与实现细节

  • std::variant 的实现通常是一个大结构体，内部存放足够大的缓冲区来容纳最大类型，并使用 std::aligned_union_t 保证对齐。
  • std::visit 的实现利用了 C++17 的折叠表达式和 std::visit 的重载解析，性能与手写 if constexpr 差别不大。
  • 需要注意的是 std::variant 在极大数量的类型（>16）时可能会引入过多的虚函数表跳转；此时可以考虑 std::any 或自定义多态实现。

6. 与 std::optional 的组合

在很多实际情况中，既需要可空性，又需要多类型选择。可以将 std::optional<std::variant<...>> 结合使用。

using OptVal = std::optional<std::variant<int, std::string>>;
OptVal opt;
opt.emplace(42);
if (opt && std::holds_alternative<std::string>(*opt)) {
    std::cout << std::get<std::string>(*opt);
}

7. 小结

  • std::variant 提供了安全、类型化的多态容器。
  • 通过 std::visit 可以实现灵活的访问逻辑。
  • 在需要返回多种可能值、实现多态状态机或设计可空多类型字段时，std::variant 是一个天然的选择。
  • 与传统指针多态相比，它消除了动态分配、析构函数的调用开销，并让编译器在类型检查时发现更多错误。

掌握了 std::variant，你将能更好地利用 C++17 的类型安全与现代编程理念，写出既健壮又易于维护的代码。

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