std::variant

本节解决什么问题

有时候一个变量需要存储"可能是 int，也可能是 string，也可能是 double"的值。传统的做法是 union（C 语言），但它不类型安全——你不知道当前存的是哪种类型，访问错了就崩溃。

std::variant 是类型安全的联合体，能存储多种类型之一，并且知道当前存的是哪种类型。

这个特性是什么

std::variant<T1, T2, ...> 是 C++17 引入的类型安全的联合体。在同一时刻，它只存储其中一种类型的值。访问时编译器会帮你检查，不会出现"访问了错误类型"的问题。

C++ 标准版本

C++17

需要的头文件

#include <variant>

基本语法

std::variant<int, double, std::string> v;

v = 42;                      // 存 int
v = 3.14;                    // 存 double
v = std::string("hello");   // 存 string

// 访问方式 1：std::get<T>(v) —— 类型不对抛异常
int n = std::get<int>(v);

// 访问方式 2：std::get_if<T>(&v) —— 类型不对返回 nullptr
if (auto* p = std::get_if<int>(&v)) { ... }

// 访问方式 3：std::visit —— 用 visitor 模式处理所有可能的类型
std::visit([](auto&& val) { ... }, v);

// 查询当前存储的类型的索引
size_t idx = v.index();  // 0-based

常用用法

示例代码

示例 1：variant 基本用法——存不同类型的值

#include <iostream>
#include <variant>
#include <string>
#include <type_traits>

int main()
{
    // v 可以存 int、double 或 string
    std::variant<int, double, std::string> v;

    v = 42;
    std::cout << "int: " << std::get<int>(v) << "\n";

    v = 3.14;
    std::cout << "double: " << std::get<double>(v) << "\n";

    v = std::string("hello");
    std::cout << "string: " << std::get<std::string>(v) << "\n";

    // 查看当前类型索引
    std::cout << "current index: " << v.index() << "\n";  // 2 (string)

    return 0;
}

运行结果：

int: 42
double: 3.14
string: hello
current index: 2

示例 2：在示例 1 基础上，用 get_if 安全访问

#include <iostream>
#include <variant>
#include <string>

void print_value(const std::variant<int, double, std::string>& v)
{
    // 安全方式：逐个尝试，get_if 返回指针
    if (auto* p = std::get_if<int>(&v))
    {
        std::cout << "int: " << *p << "\n";
    }
    else if (auto* p = std::get_if<double>(&v))
    {
        std::cout << "double: " << *p << "\n";
    }
    else if (auto* p = std::get_if<std::string>(&v))
    {
        std::cout << "string: " << *p << "\n";
    }
}

int main()
{
    std::variant<int, double, std::string> v;

    v = 42;
    print_value(v);

    v = 3.14159;
    print_value(v);

    v = std::string("C++17");
    print_value(v);

    return 0;
}

运行结果：

int: 42
double: 3.14159
string: C++17

示例 3：在示例 2 基础上，用 std::visit 处理所有类型

#include <iostream>
#include <variant>
#include <string>

int main()
{
    std::variant<int, double, std::string> v;

    // std::visit 配合泛型 lambda 优雅处理所有类型
    auto printer = [](const auto& val) {
        std::cout << "value: " << val << "\n";
    };

    v = 42;
    std::visit(printer, v);

    v = 2.718;
    std::visit(printer, v);

    v = std::string("hello variant");
    std::visit(printer, v);

    // 也可以返回不同类型的值
    auto to_double = [](const auto& val) -> double {
        if constexpr (std::is_same_v<std::decay_t<decltype(val)>, std::string>)
        {
            return 0.0;  // string 不能转 double
        }
        else
        {
            return static_cast<double>(val);
        }
    };

    v = 10;
    std::cout << "to_double: " << std::visit(to_double, v) << "\n";

    return 0;
}

运行结果：

value: 42
value: 2.718
value: hello variant
to_double: 10

示例 4：在示例 3 基础上，用 variant 表示消息类型

#include <iostream>
#include <variant>
#include <string>

// 定义消息类型
struct TextMessage { std::string text; };
struct NumberMessage { int number; };
struct QuitMessage {};

using Message = std::variant<TextMessage, NumberMessage, QuitMessage>;

// 处理消息的 visitor
struct MessageHandler
{
    void operator()(const TextMessage& msg) const
    {
        std::cout << "Text: " << msg.text << "\n";
    }
    void operator()(const NumberMessage& msg) const
    {
        std::cout << "Number: " << msg.number << "\n";
    }
    void operator()(const QuitMessage&) const
    {
        std::cout << "Quit!\n";
    }
};

int main()
{
    Message msg;

    msg = TextMessage{"Hello World"};
    std::visit(MessageHandler{}, msg);

    msg = NumberMessage{42};
    std::visit(MessageHandler{}, msg);

    msg = QuitMessage{};
    std::visit(MessageHandler{}, msg);

    return 0;
}

运行结果：

Text: Hello World
Number: 42
Quit!

std::visit 与 Visitor 机制

上面的代码中：

std::visit(MessageHandler{}, msg);

这一句刚开始看起来可能比较奇怪。

先记住 std::visit 最基本的形式：

std::visit(visitor, variant对象);

其中：

• 第二个参数是 std::variant
• 第一个参数是一个可调用对象（Callable）
• std::visit 会根据 variant 当前保存的数据类型，调用对应的处理函数

例如：

Message msg;

msg = TextMessage{"Hello World"};
std::visit(MessageHandler{}, msg);

此时 msg 内部保存的是：

TextMessage

因此 std::visit 会把这个 TextMessage 取出来，并交给 MessageHandler 处理。

MessageHandler{} 是什么？

这里：

MessageHandler{}

不是函数，也不是特殊语法。

它就是创建了一个临时的 MessageHandler 对象。

例如：

MessageHandler handler;

和：

MessageHandler{}

创建的对象类型是一样的，只不过后者是临时对象。

因此：

std::visit(MessageHandler{}, msg);

也可以写成：

MessageHandler handler;
std::visit(handler, msg);

为什么一个结构体可以像函数一样调用？

因为 MessageHandler 重载了：

operator()

例如：

struct MessageHandler
{
    void operator()(const TextMessage& msg) const
    {
        std::cout << "Text: " << msg.text << "\n";
    }
};

创建对象以后：

MessageHandler handler;

就可以直接这样调用：

handler(TextMessage{"Hello"});

看起来像是在调用一个函数。

实际上等价于：

handler.operator()(TextMessage{"Hello"});

所以这种重载了：

operator()

的对象也叫：

函数对象（Function Object / Functor）。

为什么这里有三个 operator()？

因为：

using Message =
    std::variant<TextMessage, NumberMessage, QuitMessage>;

Message 可能保存三种不同的数据：

TextMessage
NumberMessage
QuitMessage

因此 MessageHandler 分别准备了三个处理函数：

void operator()(const TextMessage& msg) const
{
    std::cout << "Text: " << msg.text << "\n";
}

处理：

TextMessage

void operator()(const NumberMessage& msg) const
{
    std::cout << "Number: " << msg.number << "\n";
}

处理：

NumberMessage

void operator()(const QuitMessage&) const
{
    std::cout << "Quit!\n";
}

处理：

QuitMessage

它们虽然函数名都是：

operator()

但是参数类型不同，因此属于函数重载。

std::visit 到底做了什么？

例如：

msg = TextMessage{"Hello World"};

std::visit(MessageHandler{}, msg);

此时 msg 保存的是：

TextMessage

可以粗略理解为 std::visit 做了：

MessageHandler{}(TextMessage{"Hello World"});

于是编译器找到：

void operator()(const TextMessage& msg) const

最终输出：

Text: Hello World

再例如：

msg = NumberMessage{42};

std::visit(MessageHandler{}, msg);

可以粗略理解成：

MessageHandler{}(NumberMessage{42});

于是调用：

void operator()(const NumberMessage& msg) const

输出：

Number: 42

最后：

msg = QuitMessage{};

std::visit(MessageHandler{}, msg);

则会选择：

void operator()(const QuitMessage&) const

输出：

Quit!

整个过程可以理解为：

                         std::variant
                              │
              ┌───────────────┼───────────────┐
              │               │               │
       TextMessage      NumberMessage     QuitMessage
              │               │               │
              ▼               ▼               ▼
 operator(TextMessage) operator(NumberMessage) operator(QuitMessage)

std::visit 的作用就是：

查看 variant 当前保存的是哪一种类型，然后自动调用 visitor 中能够处理这个类型的函数。

std::visit 第一个参数必须是结构体吗？

不是。

std::visit 第一个参数本质上只要求是一个：

可调用对象（Callable）。

也就是说，只要一个东西能够像下面这样调用：

对象(参数);

就可以作为 visitor。

常见的可调用对象包括：

普通函数
Lambda
函数对象（重载 operator() 的 class / struct）
std::function

上面的例子使用的是：

MessageHandler{}

它属于：

结构体对象
    ↓
重载 operator()
    ↓
函数对象 Functor
    ↓
可以作为 std::visit 的 Visitor

Lambda 为什么也能作为 Visitor？

例如：

std::visit(
    [](const auto& msg)
    {
        std::cout << "收到一条消息\n";
    },
    msg
);

这里第一个参数就是一个 Lambda。

Lambda 本身也是一种可调用对象。

例如：

auto f = [](int x)
{
    std::cout << x << "\n";
};

f(10);

能够像函数一样调用：

f(10);

因此它也可以传给：

std::visit

实际上，可以把 Lambda 粗略理解成编译器自动生成了一个匿名的函数对象：

struct 某个匿名类型
{
    void operator()(int x) const
    {
        std::cout << x << "\n";
    }
};

所以从思想上来说：

Lambda

和：

重载了 operator() 的 struct/class

非常相似。

为什么这个例子更适合用结构体 Visitor？

如果只有一种简单操作，Lambda 很方便：

[](const auto& value)
{
    // ...
}

但是这里需要针对不同类型执行完全不同的逻辑：

TextMessage
NumberMessage
QuitMessage

使用多个 operator() 重载会非常直观：

struct MessageHandler
{
    void operator()(const TextMessage& msg) const
    {
        // 处理文本消息
    }

    void operator()(const NumberMessage& msg) const
    {
        // 处理数字消息
    }

    void operator()(const QuitMessage&) const
    {
        // 处理退出消息
    }
};

这样每种消息类型都有自己独立的处理逻辑。

核心理解

可以把：

std::visit(MessageHandler{}, msg);

拆成两个部分理解。

首先：

MessageHandler{}

表示：

创建一个 MessageHandler 临时对象

由于它重载了：

operator()

所以它是一个可调用对象。

然后：

std::visit(..., msg);

负责：

查看 msg 当前保存的类型
        ↓
取出对应的数据
        ↓
调用 MessageHandler 对应的 operator()

因此：

std::visit(MessageHandler{}, msg);

可以概括成一句话：

根据 msg 当前保存的数据类型，让 MessageHandler 自动选择对应的 operator() 进行处理。

也可以记成：

std::visit(visitor, variant);

即：

visit
 │
 ├── 看 variant 当前是什么类型
 │
 ├── 把里面的数据取出来
 │
 └── 用这个数据调用 visitor

其中 visitor 并不是某一种固定语法，而是任何能够被调用的对象。

在本例中：

MessageHandler{}

就是一个通过重载 operator() 实现的函数对象。

运行结果

见上方每个示例的"运行结果"。

示例中的关键语法解释

variant 适合"有限几种类型之一"

variant 不是为了替代所有继承和多态。它最适合这种情况：类型种类有限，而且你希望编译器提醒你把每种情况都处理掉。

示例 5：用 variant 表示状态机

#include <iostream>
#include <string>
#include <type_traits>
#include <variant>

struct Idle {};
struct Running
{
    int task_id;
};
struct Error
{
    std::string message;
};

// variant 表示一个变量可以在多个候选类型中保存其中一种。
using State = std::variant<Idle, Running, Error>;

void print_state(const State& state)
{
    // visit 会根据 variant 当前保存的类型调用对应处理逻辑。
    std::visit([](const auto& s) {
        using T = std::decay_t<decltype(s)>;

        if constexpr (std::is_same_v<T, Idle>)
        {
            std::cout << "state: idle\n";
        }
        else if constexpr (std::is_same_v<T, Running>)
        {
            std::cout << "state: running task " << s.task_id << "\n";
        }
        else if constexpr (std::is_same_v<T, Error>)
        {
            std::cout << "state: error " << s.message << "\n";
        }
    }, state);
}

int main()
{
    // 程序从 main 函数开始执行，下面的语句会按顺序运行。
    State state = Idle{};
    print_state(state);

    state = Running{42};
    print_state(state);

    state = Error{"motor timeout"};
    print_state(state);

    return 0;
}

运行结果：

state: idle
state: running task 42
state: error motor timeout

这里的状态永远只能是三种之一。相比用 int state_code 加一堆额外字段，variant 能把每种状态需要的数据放在对应类型里，减少“错误状态却还读 running 字段”这类问题。

常见错误

错误 1：get 用错类型抛异常

std::variant<int, double> v = 42;
std::cout << std::get<double>(v);  // ❌ 抛出 std::bad_variant_access！

正确做法：先用 std::holds_alternative<double>(v) 检查，或用 std::get_if。

错误 2：variant 中没有默认类型时默认构造

std::variant<int, std::string> v;  // 默认构造第一个类型的默认值（int = 0）

这种情况是合法的，但如果第一种类型没有默认构造函数，则编译失败。

错误 3：visit 的 visitor 没有覆盖所有类型

struct Visitor {
    void operator()(int) {}
    // 缺少 double 和 string 的 operator()
};
std::variant<int, double, std::string> v;
std::visit(Visitor{}, v);  // ❌ 编译错误！

正确做法：visit 的 visitor 必须为 variant 中所有类型提供 operator()，或者用泛型 lambda。

使用建议

1. 替代 union：variant 类型安全，知道当前存的是什么。
2. 用 std::visit + 泛型 lambda 是最简洁的访问方式。
3. 需要"知道当前是哪种类型"时用 std::get_if：返回指针，安全高效。
4. 用 variant + visit 实现消息/事件分发：模式匹配的雏形。
5. variant 的大小是所有类型中最大的 + 索引字段：不要存太多大类型。
6. 类型种类有限时用 variant 更清晰：如果类型需要随插件扩展，继承和虚函数通常更合适。

小结

• std::variant<T1, T2, ...> 是类型安全的联合体。
• std::get<T>(v) 直接获取（不安全），std::get_if<T>(&v) 返回指针（安全）。
• std::visit(visitor, v) 是最推荐的方式，强制覆盖所有类型。
• 适用于消息分发、可选配置、状态机等场景。