**使用 std::variant 实现类型安全的多态容器**

作者

在 C++17 之后，标准库新增了 std::variant，它提供了一种类型安全的方式来处理多种可能类型的值，类似于传统的联合体，但具有更强的类型检查和易用性。本文将通过一个完整的示例来展示如何使用 std::variant，以及它在实际项目中的优势。

1. 为什么需要 std::variant？

传统的 union 只能存储单一类型的数据，且需要手动维护当前存储的类型，容易出现错误。std::variant 通过内部维护一个 index，保证：

  • 类型安全：访问错误类型会抛出异常或导致编译错误。
  • 可读性：使用 std::visit 可以像多态一样处理不同类型。
  • 可组合性：可以嵌套使用 std::variant，甚至与 std::optional、std::vector 等一起使用。

2. 基本用法

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

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

void printValue(const Value& v) {
    std::visit([](auto&& arg){
        std::cout << arg << std::endl;
    }, v);
}

int main() {
    Value v1 = 42;
    Value v2 = 3.1415;
    Value v3 = std::string("hello variant");

    printValue(v1);
    printValue(v2);
    printValue(v3);
}

运行结果：

42
3.1415
hello variant

std::visit 接收一个 lambda 或函数对象，自动展开 std::variant 的内部值，并将其传递给 lambda。lambda 的 auto&& arg 能匹配任意类型，从而实现类型无关的处理。

3. 访问与错误处理

3.1 直接访问

if (std::holds_alternative <int>(v1)) {
    int i = std::get <int>(v1);   // 成功
}

try {
    double d = std::get <double>(v1); // 抛出 std::bad_variant_access
} catch (const std::bad_variant_access& e) {
    std::cerr << "类型不匹配: " << e.what() << std::endl;
}

3.2 使用 std::get_if

if (auto p = std::get_if <double>(&v2)) {
    std::cout << "v2 是 double，值为 " << *p << std::endl;
}

std::get_if 在类型不匹配时返回 nullptr，避免异常开销。

4. 嵌套与递归

std::variant 可以嵌套使用，从而实现更复杂的数据结构。例如，解析 JSON：

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

通过递归 std::visit 可以遍历整个 JSON 树。

5. 与 std::optional 结合

在需要表示“可选”多种类型时，可以将 std::optional 包裹在 std::variant 外面：

using OptionalValue = std::optional<std::variant<int, std::string>>;

OptionalValue opt;
opt.emplace(5);                // opt 现在包含 int
opt.emplace(std::string("abc")); // 覆盖成 string

std::optional 的 has_value() 可以判断是否存在值，进一步提升灵活性。

6. 性能考虑

  • 内存占用：std::variant 的内存大小等于最大成员类型大小加上一个 size_t 的索引。
  • 拷贝/移动：只会拷贝/移动当前激活的成员，类似于 union 的行为。
  • 对齐：标准库实现会确保对齐正确。

在大多数场景下，std::variant 的性能与手写 union + enum 相当，但提供了更安全、更易维护的接口。

7. 小结

  • std::variant 是 C++17 引入的类型安全多态容器，适用于需要存储多种类型值的场景。
  • 通过 std::visit、std::get、std::holds_alternative 等工具，能够方便、安全地访问和操作容器内的值。
  • 与 std::optional、std::vector、std::map 等标准容器结合，能够构建复杂的数据结构（如 JSON 解析器）。
  • 性能与传统 union 接近，但提供了更强的类型检查和更易读的代码。

在日常项目中，建议优先考虑 std::variant 替代传统 union，尤其是在需要与现代 C++ 语法和工具链配合使用时。

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