C++17 中 std::variant 的使用与实践

std::variant 是 C++17 标准库引入的一个强类型多态容器，它让你可以在单个变量中安全地存储多种不同类型的值，并通过访问函数安全地取出这些值。相比于传统的 union 或者 void*，std::variant 在类型安全、易用性和性能方面都有显著提升。本文将从概念、基本使用、访问方法、错误处理以及与其他类型结合的实际案例四个部分，系统介绍 std::variant 的核心特性与实践技巧。

1. 概念与设计目标

std::variant 的设计思路类似于 std::variant<Types...>，内部维护了一个 union 用来存放实际值，并通过 index 字段记录当前存储的类型。其主要目标是：

类型安全：编译期确定合法类型集合，运行时不会出现类型错误。
零成本抽象：与 union 相比，variant 只在使用时做一次存取判定，几乎不产生额外开销。
易用接口：提供 `std::get `, `std::get_if`, `std::visit` 等访问方式，兼容现代 C++ 习惯。

2. 基本使用示例

下面演示一个简单的示例：将字符串解析为整数、浮点数或布尔值，并保存在 variant 中。

#include <iostream>
#include <variant>
#include <string>
#include <optional>
#include <cctype>

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

std::optional <Var> parse(const std::string& s) {
    // 尝试整数
    try {
        size_t idx;
        int i = std::stoi(s, &idx);
        if (idx == s.size()) return Var{i};
    } catch (...) {}

    // 尝试浮点数
    try {
        size_t idx;
        double d = std::stod(s, &idx);
        if (idx == s.size()) return Var{d};
    } catch (...) {}

    // 尝试布尔值
    std::string lower = s;
    std::transform(lower.begin(), lower.end(), lower.begin(),
                   [](unsigned char c){ return std::tolower(c); });
    if (lower == "true")  return Var{true};
    if (lower == "false") return Var{false};

    return std::nullopt;   // 解析失败
}

int main() {
    std::string inputs[] = {"42", "3.1415", "true", "hello"};
    for (auto& str : inputs) {
        auto opt = parse(str);
        if (opt) {
            std::visit([](auto&& value){
                std::cout << "value: " << value << " (" << typeid(value).name() << ")\n";
            }, *opt);
        } else {
            std::cout << "Failed to parse: " << str << '\n';
        }
    }
}

输出

value: 42 (i)
value: 3.1415 (d)
value: 1 (b)
Failed to parse: hello

说明：std::visit 采用函数重载（或 lambda）的方式，对 variant 中的值做类型分派，避免了显式的 if/switch。

3. 访问方式与错误处理

3.1 `std::get` 与 `std::get_if`

`std::get (variant)`：若 variant 当前保存的是类型 `T`，返回该值；否则抛出 `std::bad_variant_access`。
`std::get_if (variant)`：若 variant 保存的是 `T`，返回指向该值的指针；否则返回 `nullptr`。

Var v = 3.14;
try {
    int i = std::get <int>(v);   // 会抛异常
} catch (const std::bad_variant_access& e) {
    std::cerr << "not int: " << e.what() << '\n';
}
if (auto p = std::get_if <double>(&v)) {
    std::cout << "double: " << *p << '\n';
}

3.2 `std::holds_alternative`

检查 variant 当前是否保存指定类型。

if (std::holds_alternative <bool>(v)) {
    bool b = std::get <bool>(v);
    // ...
}

4. 结合 `std::optional` 与 `std::variant`

在实际项目中，std::variant 常与 std::optional 组合使用，以表示“可能不存在”且“类型可变”的值。

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

OptVariant get_value(bool ok, int x, const std::string& s) {
    if (!ok) return std::nullopt;
    return x > 0 ? OptVariant{int{x}} : OptVariant{std::string{s}};
}

5. 性能考虑

variant 的存储大小等于最大类型的大小加上必要的对齐与 index 字段。
访问时，std::visit 通过 switch 或表驱动实现，开销极小。
在需要频繁切换类型的场景，variant 可以避免频繁分配与内存拷贝。

6. 常见错误与调试技巧

忘记 constexpr：如果 variant 用于 constexpr 语境，所有类型都必须是 constexpr 可构造。
多重重载冲突：在 visit 的 lambda 中使用 auto&& 时，若类型有相同基础，可能会导致模板参数推导错误。
异常安全：在 variant 的构造函数或赋值操作中，如果所保存类型的构造/拷贝抛异常，variant 保证不会留下半初始化的状态。

7. 与 `std::optional`、`std::any` 的对比

功能	`std::variant`	`std::optional`	`std::any`
目的	多态存储	可空单一类型	任意类型
类型安全	编译期检查	编译期检查	运行期检查
开销	轻量级	轻量级	较大（RTTI）
使用场景	需要多种预定义类型	可能为空	需要任意类型

综上，std::variant 是在“类型已知但多变”的场景下的最佳工具。

8. 结语

C++17 的 std::variant 为处理多类型数据提供了既安全又高效的方案。掌握其基本使用、访问模式与性能特征，可在实际项目中减少错误、提升代码可读性。若你正在处理需要在同一变量中存放不同类型的值，或需要构造“代替 union 的类型安全替代品”，不妨考虑把 variant 纳入你的工具箱。

1. 概念与设计目标

2. 基本使用示例

3. 访问方式与错误处理

3.1 std::get 与 std::get_if

3.2 std::holds_alternative

4. 结合 std::optional 与 std::variant