使用 std::variant 实现类型安全的多态返回值

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在现代 C++（C++17 及以后）中，std::variant 为处理可变类型返回值提供了一种强类型、安全且高效的方式。与传统的指针或裸联合不同，variant 在编译期和运行时都能保证类型的正确性，并能避免 nullptr 或未初始化数据的风险。下面我们通过一个具体示例，演示如何利用 std::variant 编写一个返回多种类型值的函数，并说明其使用技巧与注意事项。

1. 典型场景

假设我们在实现一个简单的表达式求值器，支持整数、浮点数和字符串三种结果类型。传统做法往往使用 std::any 或基类指针，导致类型转换错误或运行时性能下降。使用 std::variant 可以让返回值既灵活又安全。

2. 基本用法

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

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

Result evaluate(const std::string& expr) {
    if (expr == "42") {
        return 42;                     // int
    } else if (expr == "3.14") {
        return 3.14;                   // double
    } else if (expr == "hello") {
        return std::string{"hello"};   // std::string
    } else {
        throw std::invalid_argument("unsupported expression");
    }
}

variant 自动根据返回的字面量或对象类型推导相应的索引。

3. 访问结果

std::variant 的访问方式有两种：

  • **`std::get ()`**：如果当前类型不是 `T`，会抛 `std::bad_variant_access`。
  • std::visit()：使用访问者（visitor）模式，支持多种类型的统一处理。

3.1 单一类型访问

Result r = evaluate("3.14");
try {
    double d = std::get <double>(r);
    std::cout << "double: " << d << '\n';
} catch (const std::bad_variant_access&) {
    std::cout << "Not a double\n";
}

3.2 通用访问（Visitor）

struct ResultPrinter {
    void operator()(int i) const { std::cout << "int: " << i << '\n'; }
    void operator()(double d) const { std::cout << "double: " << d << '\n'; }
    void operator()(const std::string& s) const { std::cout << "string: " << s << '\n'; }
};

Result r = evaluate("hello");
std::visit(ResultPrinter{}, r);

Visitor 更适合处理多种可能类型，避免显式的 try/catch。

4. 结合 std::optional 与 variant

有时函数可能失败而不抛异常，此时可以把返回值包装在 std::optional 里： 

using OptResult = std::optional <Result>;

OptResult try_evaluate(const std::string& expr) {
    if (expr == "42") return 42;
    if (expr == "3.14") return 3.14;
    if (expr == "hello") return std::string{"hello"};
    return std::nullopt;   // 失败时返回空
}

调用者可以先检查 has_value() 再使用 std::visit。

5. 性能与内存

  • variant 的大小等于它所包含的类型中最大者加上对齐需求。
  • 访问和赋值都是常数时间。
  • 与 std::any 相比，variant 在编译期可知类型，减少了运行时检查。

6. 常见陷阱

  1. **使用 `std::get ()` 时忘记异常处理**：若类型不匹配会抛 `std::bad_variant_access`，建议使用 `std::visit` 或 `std::holds_alternative()` 先做检查。
  2. 索引与类型混淆：`std::get ()` 访问索引（从 0 开始），与访问特定类型的 `std::get()` 分开使用。
  3. 多重继承的类型：如果返回值类型是基类指针或引用，最好避免放入 variant，因为多态可能导致二义性。

7. 进阶：自定义访问器

std::visit 支持 lambda 组合，可实现更简洁的代码： 

auto printer = [](auto&& v) { std::cout << v << '\n'; };
std::visit(printer, evaluate("hello"));

使用泛型 lambda 可以在一次调用中处理所有类型。

8. 结语

std::variant 以其类型安全、可读性好、性能优秀的特点，成为 C++17 之后处理多态返回值的首选工具。只需少量代码即可实现灵活且安全的接口，在许多实际项目中已被广泛采用。希望本文能帮助你快速上手 variant 并在自己的项目中充分利用其优势。

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