C++17 中的 std::variant 与 std::any 的区别及使用场景

作者

在 C++17 标准中，std::variant 和 std::any 两个类型都属于“类型安全的通用容器”，但它们的设计目标、使用方式和适用场景有着显著的差异。本文将从概念、实现、性能、安全性以及实际应用四个维度系统性地梳理这两个类型，帮助开发者在项目中做出更合理的选择。

一、概念对比

特性 std::variant std::any
目标 受限的类型集合，类型在编译期确定 任意类型，运行时确定
是否可变 否（类型列表不可改变） 否（但值可变）
存取方式 `std::get
或std::visit|std::any_cast`
失效方式 编译期错误 运行时异常
内存布局 存储最大的成员 + index 存储指向内部实现的指针

总结：std::variant 是一种“标签联合体”，提供了编译期类型安全；std::any 则类似于 void* 的安全包装，任何类型都可以存储，但取值时必须显式指定。

二、实现细节

1. std::variant

  • 内部存储：采用 union 存储各个可能类型的实例，同时保留 size_t index 标识当前存放哪种类型。由于 union 只保存最大占用空间的成员，因此不需要动态分配。
  • 构造/析构：构造时根据模板参数调用对应类型的构造函数；析构时根据 index 调用对应类型的析构函数。若 variant 存放的是非平凡类型，构造和析构的成本会略高。
  • 访问：`std::get (v)` 在编译期检查 `T` 是否在类型列表中；若 `index` 与 `T` 不匹配，则抛出 `std::bad_variant_access`。`std::visit` 支持多态访问，允许在一次访问中处理多种类型。

2. std::any

  • 内部存储：采用类型擦除（type erasure）技术，使用基类 placeholder 的派生类 `holder ` 存放实际值。所有对象共享相同的 `placeholder` 接口，真正的对象通过动态分配（`new`）存储在堆上。
  • 构造/析构：构造时复制传入的对象（若为非平凡类型则需要 new）。析构时释放堆内存。内存分配/释放的频繁调用会影响性能。
  • 访问：`std::any_cast ` 首先检查内部类型是否与 `T` 匹配；若不匹配，则抛出 `std::bad_any_cast`。

三、性能对比

场景 std::variant std::any
构造/赋值 O(1)（静态内存） O(1)（但需 heap 分配）
访问 O(1) O(1)（但需 RTTI 检查）
内存占用 仅占用最大类型大小 + 小量元数据 需要堆内存 + 元数据，可能有内存碎片

经验：若业务中需要频繁存取值，且类型集合已知且不变，variant 更具优势；若类型集合动态、不可预知，或者需要在不同模块间传递任意对象，any 更合适。

四、实际使用场景

1. std::variant 的典型场景

场景 说明
命令行参数 解析器可能返回 int, double, std::string 或 bool 等类型，使用 variant 可以让返回值保持类型安全。
事件系统 事件可能携带不同数据结构，使用 variant 能在事件派发时统一处理。
配置文件 JSON/YAML 等配置文件中的字段可能是多种类型，使用 variant 进行类型映射更安全。
状态机 状态机中的状态参数类型不一，使用 variant 便于在状态切换时保证类型正确。

2. std::any 的典型场景

场景 说明
插件框架 插件间通过注册表交换任意类型对象，any 可避免类型依赖。
事件总线 事件携带的 payload 类型多样，且在编译期未知，使用 any 统一存放。
跨语言桥接 例如与 Python、Lua 的交互层，往往需要把不同语言的对象包装成统一类型。
存储容器 需要存放任意对象的通用容器，如 std::vector<std::any>，但需要注意性能。

五、实战代码

5.1 使用 std::variant

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

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

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

int main() {
    std::vector <ConfigValue> cfg = { 42, 3.14, "hello", true };
    std::for_each(cfg.begin(), cfg.end(), printConfig);
}

5.2 使用 std::any

#include <any>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

int main() {
    std::vector<std::any> payload = { 123, std::string("world"), 5.5f };

    for (const auto& a : payload) {
        if (a.type() == typeid(int))
            std::cout << std::any_cast<int>(a) << '\n';
        else if (a.type() == typeid(std::string))
            std::cout << std::any_cast<std::string>(a) << '\n';
        else if (a.type() == typeid(float))
            std::cout << std::any_cast<float>(a) << '\n';
    }
}

六、常见误区

误区 正确做法
误以为 std::variant 与 std::any 可以互换 只要能在运行时得到正确的类型即可互换，但在编译期约束方面不一样。
误认为 std::any 适合频繁读写 频繁的 heap 分配会导致性能瓶颈，建议改用 variant 或自定义类型安全容器。
使用 std::variant 时忘记更新类型列表 任何修改都可能导致编译错误，需确保所有使用处同步。
在 std::any 中使用裸指针 std::any_cast 必须返回拷贝或引用，使用裸指针容易产生悬空指针。

七、结语

  • 当你知道可能出现的几种类型，且不想牺牲编译期检查时，首选 std::variant。它能让代码保持类型安全，同时避免运行时类型检查带来的开销。
  • 当你需要通用的、可在运行时决定类型的容器，或者在跨模块、跨语言的环境中共享数据时，std::any 更为适合。但请注意其在性能和内存方面的代价。

理解 std::variant 与 std::any 的区别，并在合适的场景下使用它们，是写出既安全又高效 C++ 代码的关键。祝你编码愉快！

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