在 C++17 之后，std::variant 与 std::optional 成为标准库中非常实用的类型，用来替代传统的裸指针或手动管理内存的方式。本文将通过一个具体的业务场景——实现一个简单的表单数据校验器，演示如何利用这两个类型提升代码安全性、可读性和维护性。
1. 背景：表单数据的多态结构
假设我们正在开发一个多租户系统，每个租户的表单字段类型各不相同：
- 有的字段为字符串（如“用户名”）
- 有的字段为整数（如“年龄”）
- 有的字段可选（如“备注”）
- 有的字段是枚举（如“性别”）
传统做法常用 void* 或 boost::variant，需要显式检查类型并转换，容易出错。C++17 的 std::variant 可以直接把所有可能的类型打包在一个容器里，std::optional 则能自然表示“可选”字段。
2. 设计数据结构
#include <variant>
#include <optional>
#include <string>
#include <vector>
#include <unordered_map>
#include <iostream>
// 枚举类型
enum class Gender { Male, Female, Other };
// 表单字段的值类型
using FieldValue = std::variant<
std::string, // 文本
int, // 整数
double, // 浮点
bool, // 布尔
Gender, // 枚举
std::optional<std::string> // 可选文本
>;
// 表单字段描述
struct FieldDef {
std::string name;
bool required;
};
// 表单数据
using FormData = std::unordered_map<std::string, FieldValue>;
using FormDefs = std::vector <FieldDef>;
3. 解析与验证流程
3.1 解析
我们从 JSON（这里只用字符串演示）解析成 FormData。在解析过程中，根据字段名称判断应该存入哪种类型。
FieldValue parseField(const std::string& key, const std::string& value) {
if (key == "age") {
return std::stoi(value);
} else if (key == "salary") {
return std::stod(value);
} else if (key == "gender") {
if (value == "male") return Gender::Male;
if (value == "female") return Gender::Female;
return Gender::Other;
} else if (key == "active") {
return value == "true";
} else {
return value; // 默认文本
}
}
3.2 验证
使用 std::variant 的 `std::holds_alternative
` 或 `std::visit` 进行类型检查，配合 `std::optional` 判断必填字段是否存在。
“`cpp
bool validate(const FormDefs& defs, const FormData& data) {
for (const auto& def : defs) {
auto it = data.find(def.name);
if (def.required && it == data.end()) {
std::cerr << "缺少必填字段: " << def.name << '\n';
return false;
}
if (it != data.end()) {
// 这里可以根据业务扩展做更细粒度校验
if (def.name == "age") {
if (!std::holds_alternative
(it->second)) {
std::cerr << "字段 age 必须是整数\n";
return false;
}
}
// 其它字段类似
}
}
return true;
}
“`
## 4. 演示
“`cpp
int main() {
// 1. 定义字段
FormDefs defs = {
{"username", true},
{"age", true},
{"salary", false},
{"gender", false},
{"active", true},
{"note", false}
};
// 2. 假设解析得到的数据
FormData data = {
{"username", std::string("alice")},
{"age", 30},
{"salary", 75000.5},
{"gender", Gender::Female},
{"active", true},
{"note", std::optional(“首席研发”) } // 可选字段
};
// 3. 验证
if (validate(defs, data)) {
std::cout << "表单校验通过！\n";
} else {
std::cout << "表单校验失败！\n";
}
// 4. 使用 std::visit 输出字段值
for (const auto& [k, v] : data) {
std::cout << k << " = ";
std::visit([](auto&& arg){
using T = std::decay_t;
if constexpr (std::is_same_v)
std::cout << arg;
else if constexpr (std::is_same_v)
std::cout << arg;
else if constexpr (std::is_same_v)
std::cout << arg;
else if constexpr (std::is_same_v)
std::cout << (arg ? "true" : "false");
else if constexpr (std::is_same_v) {
if (arg == Gender::Male) std::cout << "male";
else if (arg == Gender::Female) std::cout << "female";
else std::cout << "other";
} else if constexpr (std::is_same_v<t, std::optional>) {
if (arg) std::cout << *arg;
else std::cout << "null";
}
}, v);
std::cout << '\n';
}
}
“`
运行结果示例：
“`
表单校验通过！
username = alice
age = 30
salary = 75000.5
gender = female
active = true
note = 首席研发
“`
## 5. 讨论
– **类型安全**：`std::variant` 通过编译时约束保证每个字段只能是预期类型，避免了 `dynamic_cast` 或 `void*` 带来的运行时错误。
– **可选字段**：直接用 `std::optional` 包装类型，让字段的存在与否变得显式且易于检查。
– **可维护性**：当新增字段类型时，只需在 `FieldValue` 的 `std::variant` 列表里添加即可，无需改动大量业务代码。
– **性能**：`std::variant` 内部使用单个存储区，类似于 `union`，开销很小。
## 6. 结语
`std::variant` 与 `std::optional` 在 C++17 之后为多态数据和可选数据提供了标准化、类型安全且高效的解决方案。通过本文的表单校验器示例，你可以看到它们如何在实际业务场景中提升代码质量。未来，随着 C++23 引入的 `std::expected` 等特性，处理错误与可选值将更加自然，值得继续关注。
