使用 C++20 std::variant 进行类型安全的访问与调试

在 C++20 之前，处理多种可能类型的数据往往要用 boost::variant 或自己实现类似的类型安全包装。随着标准库引入 std::variant，我们可以在编译期就确定多态类型集合，既保证了类型安全，又能在运行时轻松切换和访问。本文将从 std::variant 的基本使用、访问方式、错误处理以及调试技巧四个方面，详细阐述如何利用它实现高效、可维护的代码。

1. 基础语法与构造

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

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

int main() {
    Value v1 = 42;               // 整型
    Value v2 = 3.14;             // 双精度浮点
    Value v3 = std::string("hello"); // 字符串

    std::cout << v1 << '\n';
}

默认构造：如果 Value 中没有 std::monostate，必须显式初始化，否则编译错误。
类型列表：使用 std::variant<Ts...> 传入一组可互斥的类型。
拷贝与移动：variant 支持拷贝构造、移动构造、赋值，满足 C++ 通用容器的行为。

2. 访问方式

2.1 `std::get`

try {
    int i = std::get <int>(v1);   // 若 v1 不是 int 则抛异常 std::bad_variant_access
} catch (const std::bad_variant_access&) {
    std::cerr << "类型不匹配\n";
}

优点：直接按类型获取。
缺点：若类型不匹配抛异常，必须捕获或使用 std::holds_alternative 先检查。

2.2 `std::get_if`

if (auto p = std::get_if <double>(&v2)) {
    std::cout << "double: " << *p << '\n';
}

返回指针：若类型不匹配，返回 nullptr，无异常抛出。

2.3 `std::visit`

std::visit([](auto&& arg){
    std::cout << arg << '\n';
}, v3);

通用访问：适用于多种类型的统一处理。
可传递自定义 visitor：如 struct Visitor { void operator()(int) {...} void operator()(double) {...} ... };

3. 典型场景举例

3.1 表达式求值树

struct Add {
    std::variant<int, double> lhs, rhs;
};

struct Subtract { ... };
using Expr = std::variant<Add, Subtract, int, double>;

double eval(const Expr& e) {
    return std::visit(overloaded{
        [](int i) { return static_cast <double>(i); },
        [](double d) { return d; },
        [](const Add& a) { return eval(a.lhs) + eval(a.rhs); },
        [](const Subtract& s) { return eval(s.lhs) - eval(s.rhs); }
    }, e);
}

3.2 事件系统

struct KeyEvent { char key; };
struct MouseEvent { int x, y; };
using Event = std::variant<KeyEvent, MouseEvent>;

void handle(const Event& e) {
    std::visit([](auto&& ev){
        using T = std::decay_t<decltype(ev)>;
        if constexpr (std::is_same_v<T, KeyEvent>) {
            std::cout << "Key: " << ev.key << '\n';
        } else if constexpr (std::is_same_v<T, MouseEvent>) {
            std::cout << "Mouse: (" << ev.x << "," << ev.y << ")\n";
        }
    }, e);
}

4. 调试技巧

打印当前索引
std::cout << v.index() << '\n'; // 0-based 索引，配合 type()。

使用 std::visit 打印所有类型

std::visit([](auto&& arg){ std::cout << arg << '\n'; }, v);

**借助 `std::variant_size_v
`** 预先验证访问索引合法性。
在断言中检查类型
`assert(std::holds_alternative
(v));`

5. 性能与注意事项

内存占用：variant 的大小为 max(sizeof(Ts...)) + alignof(max(Ts...))。若类型差异较大，可考虑 std::any。
构造成本：每次切换类型时需要复制/移动目标类型对象，避免频繁切换或使用 `std::optional ` 作为内部容器。
异常安全：std::visit 的 visitor 必须满足异常安全，若有可能抛异常，建议在 visitor 内部捕获。

6. 结语

std::variant 为 C++ 提供了强大的类型安全多态容器，既能避免传统 union 的不安全，也能取代第三方 boost::variant 的繁琐。通过正确使用 get, get_if, visit 等 API，我们可以编写既简洁又健壮的代码。熟悉 std::variant 的各种技巧，将大大提升 C++ 开发者在复杂类型交互场景下的效率和代码质量。

1. 基础语法与构造

2. 访问方式

2.1 std::get

2.2 std::get_if

2.3 std::visit