C++17 std::variant 实现类型安全的多态容器

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在 C++17 之前，处理多种类型的数据往往需要使用 boost::variant、std::any 或者手写 std::vector<std::unique_ptr<Base>> 等方案。随着 std::variant 的加入，标准库为我们提供了一个编译期类型安全、无运行时开销的多态容器。下面通过一个完整示例，演示如何使用 std::variant 构造一个既灵活又安全的多态容器，并利用 std::visit 实现类型匹配与操作。

1. 变体（variant）的基本概念

std::variant<Ts...> 是一个联合体（union）的现代化实现，它可以存放几种指定类型中的任意一种，并且在编译期就知道可以存放哪些类型。它提供了以下关键特性：

特性 说明
类型安全 访问不到未存放的类型会抛出 std::bad_variant_access
无运行时开销 仅在编译期确定类型，内部实现使用联合体 + 整数标识
可组合 可以嵌套、与 std::optional、std::vector 等容器一起使用

2. 设计一个多态数据容器

假设我们需要处理一种日志条目，日志可以是字符串、整数或自定义结构 ErrorInfo。我们定义：

#include <variant>
#include <string>
#include <vector>
#include <iostream>
#include <iomanip>
#include <sstream>

struct ErrorInfo {
    int code;
    std::string message;
};

然后创建一个日志条目类型：

using LogEntry = std::variant<std::string, int, ErrorInfo>;

我们再把日志条目放入一个向量中，形成日志列表：

using LogBuffer = std::vector <LogEntry>;

3. 操作日志条目

3.1 访问并打印日志

使用 std::visit 可以对不同类型做不同处理。下面给出一个通用打印器：

struct LogPrinter {
    void operator()(const std::string& s) const {
        std::cout << "String: " << s << '\n';
    }
    void operator()(int n) const {
        std::cout << "Integer: " << n << '\n';
    }
    void operator()(const ErrorInfo& e) const {
        std::cout << "Error (" << e.code << "): " << e.message << '\n';
    }
};

遍历日志缓冲区：

void printAll(const LogBuffer& buffer) {
    for (const auto& entry : buffer) {
        std::visit(LogPrinter{}, entry);
    }
}

3.2 条件筛选日志

有时我们想只输出错误日志，可以通过 `std::holds_alternative

` 判断： “`cpp void printErrors(const LogBuffer& buffer) { for (const auto& entry : buffer) { if (std::holds_alternative (entry)) { std::visit(LogPrinter{}, entry); } } } “` ### 3.3 变体到字符串的通用转换 可以用 `std::visit` 与 `std::ostringstream` 组合，得到统一的字符串表示： “`cpp std::string entryToString(const LogEntry& entry) { std::ostringstream oss; std::visit([&oss](auto&& arg) { using T = std::decay_t; if constexpr (std::is_same_v) { oss << arg; } else if constexpr (std::is_same_v) { oss << arg; } else if constexpr (std::is_same_v) { oss << "Error(" << arg.code << "): " << arg.message; } }, entry); return oss.str(); } “` ## 4. 示例程序 “`cpp int main() { LogBuffer logs; logs.emplace_back(std::string("系统启动")); logs.emplace_back(42); logs.emplace_back(ErrorInfo{404, "资源未找到"}); logs.emplace_back(std::string("处理完成")); std::cout << "=== 所有日志 ===\n"; printAll(logs); std::cout << "\n=== 仅错误日志 ===\n"; printErrors(logs); std::cout << "\n=== 日志转字符串 ===\n"; for (const auto& e : logs) { std::cout << entryToString(e) << '\n'; } return 0; } “` 运行结果： “` === 所有日志 === String: 系统启动 Integer: 42 Error (404): 资源未找到 String: 处理完成 === 仅错误日志 === Error (404): 资源未找到 === 日志转字符串 === 系统启动 42 Error(404): 资源未找到 处理完成 “` ## 5. 与 `std::any` 的比较 – **类型安全**：`std::variant` 在编译期就知道可存放的类型，访问错误会在运行时抛异常；`std::any` 只能在运行时确定类型，可能导致隐式转换错误。 – **性能**：`std::variant` 使用联合体实现，开销几乎为零；`std::any` 需要类型擦除、动态分配。 – **用途**：`std::variant` 更适合“有限”且已知的多态集合；`std::any` 适合“无限制”的任意类型存储。 ## 6. 小结 – `std::variant` 为 C++17 标准库提供了一种无运行时开销、类型安全的多态容器。 – 通过 `std::visit` 可以优雅地对不同类型进行匹配与处理。 – 在日志系统、命令行参数解析、事件总线等场景下，`std::variant` 是一种极具吸引力的选择。 希望这篇文章能帮助你在 C++17 项目中快速上手 `std::variant`，实现安全、高效的多态容器。

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