在 C++17 标准中，std::variant 为我们提供了一种既灵活又类型安全的方式来表示“多种类型”中的任意一种。与传统的继承多态相比，std::variant 通过编译时类型检查、无运行时开销以及更直观的模式匹配，极大地提升了代码可维护性和安全性。下面从概念、实现细节和实际应用三部分，系统阐述如何在 C++ 项目中运用 std::variant 来实现类型安全的多态。
一、概念回顾：多态与 std::variant
| 传统多态 |
std::variant |
| 通过继承、虚函数实现 |
通过联合与类型擦除实现 |
| 需要基类指针/引用 |
可以使用值语义存储 |
| 运行时类型信息（RTTI） |
编译时类型索引 |
需要显式 dynamic_cast 或 typeid |
通过 std::visit 或 std::holds_alternative 检查 |
std::variant 是一个可以保存多种类型的对象，但在任何时刻只能存储其中的一种。它内部维护一个类型索引，保证只使用当前类型进行操作，编译器在 visit 时会进行类型检查，避免了运行时的 bad_cast 错误。
二、核心使用方式
1. 定义 variant 类型
using Shape = std::variant<
std::monostate, // 空状态，可选
struct Circle,
struct Rectangle,
struct Triangle
>;
这里 std::monostate 代表“空”或“不确定”的状态，常用于默认值或错误处理。
2. 创建与赋值
Shape s = Circle{3.14};
s = Rectangle{4.0, 5.0};
由于 variant 采用值语义，赋值时会自动调用相应构造函数。
3. 访问当前值
a. std::get
如果你确定当前类型：
if (std::holds_alternative <Circle>(s)) {
const auto& c = std::get <Circle>(s);
// 使用 c
}
b. std::visit
最常用的访问方式，类似模式匹配：
auto area = std::visit([](auto&& shape) {
using T = std::decay_t<decltype(shape)>;
if constexpr (std::is_same_v<T, Circle>)
return M_PI * shape.radius * shape.radius;
else if constexpr (std::is_same_v<T, Rectangle>)
return shape.width * shape.height;
else if constexpr (std::is_same_v<T, Triangle>)
return 0.5 * shape.base * shape.height;
else
return 0.0; // monostate 或未知类型
}, s);
利用 if constexpr，编译器在编译期判断分支，从而得到完全消除的代码。
三、实践案例：多态图形渲染
#include <variant>
#include <iostream>
#include <cmath>
#include <string>
struct Circle { double radius; };
struct Rectangle { double width, height; };
struct Triangle { double base, height; };
using Shape = std::variant<std::monostate, Circle, Rectangle, Triangle>;
void render(const Shape& shape) {
std::visit([](auto&& s) {
using T = std::decay_t<decltype(s)>;
if constexpr (std::is_same_v<T, Circle>) {
std::cout << "渲染圆形，半径=" << s.radius << "\n";
} else if constexpr (std::is_same_v<T, Rectangle>) {
std::cout << "渲染矩形，宽=" << s.width << ", 高=" << s.height << "\n";
} else if constexpr (std::is_same_v<T, Triangle>) {
std::cout << "渲染三角形，底=" << s.base << ", 高=" << s.height << "\n";
} else {
std::cout << "未知图形\n";
}
}, shape);
}
int main() {
Shape shapes[] = {
Circle{5.0},
Rectangle{3.0, 4.0},
Triangle{6.0, 7.0},
std::monostate{} // 可能的空值
};
for (const auto& shp : shapes) {
render(shp);
}
}
此示例展示了如何：
- 定义 多种形状结构；
- 使用
variant 统一管理；
- 访问 每种类型并执行特定渲染逻辑；
- 保证 运行时无类型错误。
四、优势总结
| 维度 |
传统继承多态 |
std::variant |
| 类型安全 |
需要 dynamic_cast 或 typeid |
visit 通过 if constexpr 编译时检查 |
| 运行时开销 |
虚函数表 + RTTI |
无虚表，内部仅索引 + 直接调用 |
| 代码可读性 |
难以追踪 dynamic_cast 的使用 |
visit 直观，模式匹配式 |
| 可维护性 |
子类耦合高 |
统一 variant 定义，扩展更方便 |
| 适用场景 |
需要共享基类接口 |
只需不同类型共存，且可变数目固定 |
五、常见陷阱与解决方案
-
忘记处理 monostate
- 解决：在
visit 中为 std::monostate 明确处理路径，或在业务逻辑中避免出现空状态。
-
对 variant 进行深拷贝导致多重复制
- 解决：使用
std::shared_ptr 或自定义复制逻辑；或者仅存储值类型，避免动态分配。
-
在 visit 中使用递归访问自身 variant
- 解决：尽量将递归封装为单独函数，防止模板递归过深导致编译报错。
-
与第三方库交互时期望基类指针
- 解决：提供包装函数将
variant 转化为对应基类指针，或重构库以接受 variant。
六、进阶用法：std::variant 与 std::optional
有时我们需要一个“既可能是空值又可能是多种类型”的容器。组合 std::optional 与 std::variant 可实现：
using OptShape = std::optional <Shape>;
如果只想要“空”或“一种类型”，可直接使用 Shape 并在构造时传递 std::monostate{}。当业务逻辑中空值与多态值共存时，推荐使用 `std::optional
`。
—
## 七、结语
`std::variant` 为 C++ 提供了一种既灵活又安全的多态实现方式。它消除了传统继承多态的隐式转换、虚函数开销和运行时类型检查错误，提升了代码的类型安全性和可读性。在需要“多种不同类型但共享同一变量”的场景，优先考虑 `variant`。随着 C++20/23 标准的进一步发展，`std::variant` 也将得到更多工具和算法的支持，让多态编程更加轻松。
> **小贴士**：在使用 `std::visit` 时，可结合 `std::overloaded`（C++20）简化多重 lambda 的写法：
“`cpp
auto visitor = std::overloaded{
[](const Circle& c) { /*…*/ },
[](const Rectangle& r) { /*…*/ },
[](const Triangle& t) { /*…*/ },
[](std::monostate) { /*…*/ }
};
std::visit(visitor, shape);
“`
这样即可避免 `if constexpr` 的冗余，提高代码简洁度。
