如何使用C++17的 std::variant 实现类型安全的多态？

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在 C++17 之前，处理多种类型的常见方式是使用 boost::variant 或者自己实现类似的类型安全容器。然而，随着标准库引入 std::variant，我们可以更简洁、更安全地实现类型多态。本文将从概念、使用方法、优势以及一个实际示例来说明如何使用 std::variant。

1. 什么是 std::variant？

std::variant 是一种“可变类型容器”，它能够存放多种预定义类型中的任何一种，并保证在任何时刻只能存放其中一种。与传统的多态（如继承+虚函数）相比，它不需要基类和指针，避免了指针失效和多态调用的开销。

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

std::variant<int, double, std::string> v;

在上面例子中，v 可以存放 int、double 或 std::string。

2. 基本使用

2.1 赋值与获取

v = 42;                     // 赋值为 int
v = 3.14;                   // 赋值为 double
v = std::string("hello");   // 赋值为 string

// 通过 std::get 获取，若类型不匹配会抛出 std::bad_variant_access
int  i = std::get <int>(v);

2.2 查询当前类型

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

2.3 访问器（visitor）

最推荐的访问方式是使用 std::visit，它提供了“多重重载”机制，避免了显式类型判断。

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

3. 典型场景

3.1 结果容器

在需要返回多种可能类型的函数中，variant 可以用来包装返回值，而不是使用 union 或 boost::any。

std::variant<int, std::string> parseInt(const std::string& s) {
    try {
        return std::stoi(s);
    } catch (...) {
        return std::string("error");
    }
}

3.2 事件系统

如果你想实现一个事件系统，每个事件携带不同类型的数据，variant 是天然的选择。

enum class EventType { Click, KeyPress };

struct ClickEvent { int x, y; };
struct KeyPressEvent { char key; };

using EventData = std::variant<ClickEvent, KeyPressEvent>;

struct Event {
    EventType type;
    EventData data;
};

4. 与多态的比较

特性 std::variant 传统多态（虚函数）
运行时开销 无需虚表 需要指针间接
编译时检查 类型安全 需手动检查
可移植性 标准库 受限于继承结构
代码简洁 直接使用 需要基类与派生

注意：如果需要真正的对象多态（例如不同类有相同接口实现），仍然使用继承是合适的。variant 更适合“离散”类型集合，而不是具有共享接口的类层次。

5. 实际案例：实现一个简单的 JSON 解析器

以下示例演示如何使用 variant 表示 JSON 的基本类型：

#include <variant>
#include <string>
#include <vector>
#include <unordered_map>
#include <iostream>

using JsonValue = std::variant<
    std::nullptr_t,
    bool,
    double,
    std::string,
    std::vector<std::variant<std::nullptr_t, bool, double, std::string, std::vector<std::variant<std::nullptr_t, bool, double, std::string, std::unordered_map<std::string, JsonValue>>>, std::unordered_map<std::string, JsonValue>>>;

void printJson(const JsonValue& v, int indent = 0) {
    std::string pad(indent, ' ');
    std::visit([&](auto&& arg){
        using T = std::decay_t<decltype(arg)>;
        if constexpr (std::is_same_v<T, std::nullptr_t>)
            std::cout << pad << "null\n";
        else if constexpr (std::is_same_v<T, bool>)
            std::cout << pad << (arg ? "true" : "false") << "\n";
        else if constexpr (std::is_same_v<T, double>)
            std::cout << pad << arg << "\n";
        else if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>)
            std::cout << pad << '"' << arg << '"' << "\n";
        else if constexpr (std::is_same_v<T, std::vector<JsonValue>>)
            std::cout << pad << "[\n",
                       std::for_each(arg.begin(), arg.end(), [&](const JsonValue& v){ printJson(v, indent + 2); }),
                       std::cout << pad << "]\n";
        else if constexpr (std::is_same_v<T, std::unordered_map<std::string, JsonValue>>)
            std::cout << pad << "{\n",
                       std::for_each(arg.begin(), arg.end(), [&](const auto& kv){ std::cout << std::string(indent + 2, ' ') << '"' << kv.first << "\": "; printJson(kv.second, indent + 2); }),
                       std::cout << pad << "}\n";
    }, v);
}

int main() {
    JsonValue data = std::unordered_map<std::string, JsonValue>{
        {"name", std::string("ChatGPT")},
        {"active", true},
        {"score", 9.7},
        {"tags", std::vector <JsonValue>{std::string("AI"), std::string("NLP")}}
    };
    printJson(data);
}

代码展示了 variant 在复杂嵌套结构中的运用，虽然写法略显繁琐，但保证了类型安全且无需运行时类型识别。

6. 小结

  • std::variant 提供了 类型安全 的多态容器。
  • 通过 std::visit 能够像多重重载一样访问内部值，避免显式 if 或 switch 判断。
  • 适合“离散”类型集合，例如解析结果、事件系统、配置文件值等。
  • 对于真正的继承多态，仍使用虚函数；variant 作为“静态多态”的补充，能让代码更简洁、更安全。

希望这篇文章能帮助你更好地理解并使用 std::variant，在日常 C++ 开发中实现类型安全的多态。

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