在 C++17 之后，标准库新增了两种非常实用的类型包装器：std::optional 与 std::variant。它们分别用于表达“可能存在或不存在”的值，以及“可能是多种类型之一”的值。虽然两者都提供了容器化的概念，但在语义、使用场景以及实现细节上有显著差异。本文将从语义、实现、性能、错误处理和常见使用场景四个维度对比这两种类型，并给出实战代码示例，帮助你在项目中更合理地选择使用哪一种。
1. 语义对比
| | std::optional
| std::variant | |—|—|—| | 语义 | 表示一个 **可选的** 值：要么有值（`has_value()` 为 true），要么无值（`has_value()` 为 false）。 | 表示一个 **联合** 值：只能是 Ts 中 **某一个类型** 的实例。 | | 关键成员 | `value()` / `operator*` / `operator->` / `value_or()` / `has_value()` | `index()` / `get ()` / `get()` / `visit()` | | 默认构造 | 默认构造为“无值” | 必须指定一个类型作为默认值（或显式初始化为第一个类型） | 简而言之，`std::optional` 用于“值可缺失”，而 `std::variant` 用于“值类型可变”。 ## 2. 内部实现（简化版） ### 2.1 std::optional “`cpp template class optional { bool has = false; alignas(T) unsigned char storage[sizeof(T)]; void destroy() { if (has) reinterpret_cast(&storage)->~T(); } public: optional() noexcept = default; optional(const T& v) noexcept { new(&storage) T(v); has = true; } optional(T&& v) noexcept { new(&storage) T(std::move(v)); has = true; } ~optional() { destroy(); } optional(const optional& o) { if (o.has) new(&storage) T(*reinterpret_cast(&o.storage)); has = o.has; } // … }; “` 主要点： – 使用 `alignas(T)` 预留空间，构造时显式调用构造函数，销毁时调用析构函数。 – 通过 `has` 标志判断是否有效。 ### 2.2 std::variant “`cpp template class variant { static constexpr std::size_t sz = sizeof…(Ts); using storage_t = typename std::aligned_union::type; storage_t storage; std::size_t idx = 0; // default to first type template void destroy() { reinterpret_cast(&storage)->~T(); } public: variant() { new(&storage) std::tuple_element_t<0, std::tuple>(); } template variant(const T& v) { static_assert(I < sz); new(&storage) T(v); idx = I; } ~variant() { destroy<0, std::tuple_element_t<0, std::tuple>(); } // simplified // … }; “` – `variant` 必须知道当前存储的类型索引，使用 `idx` 来追踪。 – 通过 `std::aligned_union` 预留统一对齐空间。 – `visit` 函数通过模板折叠（C++17 `if constexpr` 或 `std::visit`) 进行访问。 ## 3. 性能差异 | | std::optional | std::variant | |—|—|—| | 内存占用 | `sizeof(T) + 1`（对齐后） | `max(sizeof(Ts), alignof(max))` + 1（或更大） | | 访问开销 | 1 次指针偏移 + `has_value()` 检查 | 1 次索引 + `visit`（通常使用 `if constexpr` 或表驱动） | | 构造/析构 | 需要显式构造/析构 | 只需要构造一次默认类型，后续切换类型时需要析构旧类型、构造新类型 | – 当 `T` 较大时，`std::optional` 占用的内存较少。 – 当类型集合较多、类型大小差异大时，`std::variant` 可能需要更大的对齐空间。 ## 4. 错误处理与表达 ### 4.1 optional – `value_or(default_value)`：提供默认值避免空值访问。 – `operator bool`：判断是否有值。 – 适用于**查询**、**缓存**、**可选参数**等场景。 ### 4.2 variant – `std::visit` 与 `std::holds_alternative `：安全访问。 – 可以结合 `std::monostate` 用作“无值”状态。 – 适用于**解析**、**命令模式**、**事件系统**、**状态机**等场景。 ## 5. 常见使用场景 ### 5.1 std::optional 示例：懒加载配置 “`cpp class Config { std::optional db_path_; public: const std::string& db_path() const { if (!db_path_) { // lazily load from file db_path_ = load_from_file(“config.json”); } return *db_path_; } }; “` – 只在第一次使用时读取文件，后续直接使用缓存。 ### 5.2 std::variant 示例：JSON 解析 “`cpp using JsonValue = std::variant<std::monostate, std::nullptr_t, bool, int, double, std::string, std::vector , std::map>; JsonValue parse_json(const std::string& s); void print_json(const JsonValue& v) { std::visit([](auto&& val) { using T = std::decay_t; if constexpr (std::is_same_v) { std::cout << "uninitialized"; } else if constexpr (std::is_same_v) { std::cout << "null"; } else if constexpr (std::is_same_v) { std::cout << (val ? "true" : "false"); } else if constexpr (std::is_same_v) { std::cout << val; } else if constexpr (std::is_same_v) { std::cout << val; } else if constexpr (std::is_same_v) { std::cout << '"' << val << '"'; } else if constexpr (std::is_same_v<t, std::vector>) { std::cout << '['; for (auto it = val.begin(); it != val.end(); ++it) { if (it != val.begin()) std::cout << ','; print_json(*it); } std::cout << ']'; } else if constexpr (std::is_same_v<t, std::map>) { std::cout << '{'; for (auto it = val.begin(); it != val.end(); ++it) { if (it != val.begin()) std::cout << ','; std::cout << '"' <first <second); } std::cout << '}'; } }, v); } “` – 使用 `std::variant` 存储多种 JSON 值，利用 `std::visit` 进行访问。 ## 6. 小结 – **std::optional** 关注“是否有值”，适合可选数据、懒加载、错误返回等。 – **std::variant** 关注“值类型是什么”，适合多态数据结构、解析器、状态机、命令模式等。 – 两者都通过显式构造、析构与访问方式，保证了类型安全与内存安全。 – 在性能敏感场景，需根据类型大小、数量与使用频率做权衡。 在实际项目中，你往往会同时使用 `std::optional` 与 `std::variant`，甚至可以结合使用，例如 `std::variant` 来表示“可能为空、整数或字符串”的字段。掌握它们的语义与实现细节，将帮助你编写更简洁、可维护且高效的 C++ 代码。