std::variant

本節解決什麼問題

有時候一個變量需要存儲"可能是 int，也可能是 string，也可能是 double"的值。傳統的做法是 union（C 語言），但它不類型安全——你不知道當前存的是哪種類型，訪問錯了就崩潰。

std::variant 是類型安全的聯合體，能存儲多種類型之一，並且知道當前存的是哪種類型。

這個特性是什麼

std::variant<T1, T2, ...> 是 C++17 引入的類型安全的聯合體。在同一時刻，它只存儲其中一種類型的值。訪問時編譯器會幫你檢查，不會出現"訪問了錯誤類型"的問題。

C++ 標準版本

C++17

需要的頭文件

#include <variant>

基本語法

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

示例代碼

示例 1：variant 基本用法——存不同類型的值

#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;
}

運行結果：

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

示例 2：在示例 1 基礎上，用 get_if 安全訪問

#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;
}

運行結果：

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

示例 3：在示例 2 基礎上，用 std::visit 處理所有類型

#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;
}

運行結果：

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

示例 4：在示例 3 基礎上，用 variant 表示消息類型

#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;
}

運行結果：

Text: Hello World
Number: 42
Quit!

std::visit 與 Visitor 機制

上面的代碼中：

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

這一句剛開始看起來可能比較奇怪。

先記住 std::visit 最基本的形式：

std::visit(visitor, variant对象);

其中：

• 第二個參數是 std::variant
• 第一個參數是一個可調用對象（Callable）
• std::visit 會根據 variant 當前保存的數據類型，調用對應的處理函數

例如：

Message msg;

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

此時 msg 內部保存的是：

TextMessage

因此 std::visit 會把這個 TextMessage 取出來，並交給 MessageHandler 處理。

MessageHandler{} 是什麼？

這裏：

MessageHandler{}

不是函數，也不是特殊語法。

它就是創建了一個臨時的 MessageHandler 對象。

例如：

MessageHandler handler;

和：

MessageHandler{}

創建的對象類型是一樣的，只不過後者是臨時對象。

因此：

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

也可以寫成：

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

為什麼一個結構體可以像函數一樣調用？

因為 MessageHandler 重載了：

operator()

例如：

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

創建對象以後：

MessageHandler handler;

就可以直接這樣調用：

handler(TextMessage{"Hello"});

看起來像是在調用一個函數。

實際上等價於：

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

所以這種重載了：

operator()

的對象也叫：

函數對象（Function Object / Functor）。

為什麼這裏有三個 operator()？

因為：

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

Message 可能保存三種不同的數據：

TextMessage
NumberMessage
QuitMessage

因此 MessageHandler 分別準備了三個處理函數：

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

處理：

TextMessage

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

處理：

NumberMessage

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

處理：

QuitMessage

它們雖然函數名都是：

operator()

但是參數類型不同，因此屬於函數重載。

std::visit 到底做了什麼？

例如：

msg = TextMessage{"Hello World"};

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

此時 msg 保存的是：

TextMessage

可以粗略理解為 std::visit 做了：

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

於是編譯器找到：

void operator()(const TextMessage& msg) const

最終輸出：

Text: Hello World

再例如：

msg = NumberMessage{42};

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

可以粗略理解成：

MessageHandler{}(NumberMessage{42});

於是調用：

void operator()(const NumberMessage& msg) const

輸出：

Number: 42

最後：

msg = QuitMessage{};

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

則會選擇：

void operator()(const QuitMessage&) const

輸出：

Quit!

整個過程可以理解為：

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

std::visit 的作用就是：

查看 variant 當前保存的是哪一種類型，然後自動調用 visitor 中能夠處理這個類型的函數。

std::visit 第一個參數必須是結構體嗎？

不是。

std::visit 第一個參數本質上只要求是一個：

可調用對象（Callable）。

也就是説，只要一個東西能夠像下面這樣調用：

对象(参数);

就可以作為 visitor。

常見的可調用對象包括：

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{}

它屬於：

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

Lambda 為什麼也能作為 Visitor？

例如：

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

這裏第一個參數就是一個 Lambda。

Lambda 本身也是一種可調用對象。

例如：

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

f(10);

能夠像函數一樣調用：

f(10);

因此它也可以傳給：

std::visit

實際上，可以把 Lambda 粗略理解成編譯器自動生成了一個匿名的函數對象：

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

所以從思想上來説：

Lambda

和：

重载了 operator() 的 struct/class

非常相似。

為什麼這個例子更適合用結構體 Visitor？

如果只有一種簡單操作，Lambda 很方便：

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

但是這裏需要針對不同類型執行完全不同的邏輯：

TextMessage
NumberMessage
QuitMessage

使用多個 operator() 重載會非常直觀：

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
    }
};

這樣每種消息類型都有自己獨立的處理邏輯。

核心理解

可以把：

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

拆成兩個部分理解。

首先：

MessageHandler{}

表示：

创建一个 MessageHandler 临时对象

由於它重載了：

operator()

所以它是一個可調用對象。

然後：

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

負責：

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);

可以概括成一句話：

根據 msg 當前保存的數據類型，讓 MessageHandler 自動選擇對應的 operator() 進行處理。

也可以記成：

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 並不是某一種固定語法，而是任何能夠被調用的對象。

在本例中：

MessageHandler{}

就是一個通過重載 operator() 實現的函數對象。

運行結果

見上方每個示例的"運行結果"。

示例中的關鍵語法解釋

variant 適合"有限幾種類型之一"

variant 不是為了替代所有繼承和多態。它最適合這種情況：類型種類有限，而且你希望編譯器提醒你把每種情況都處理掉。

示例 5：用 variant 表示狀態機

#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;
}

運行結果：

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

這裏的狀態永遠只能是三種之一。相比用 int state_code 加一堆額外字段，variant 能把每種狀態需要的數據放在對應類型裏，減少“錯誤狀態卻還讀 running 字段”這類問題。

常見錯誤

錯誤 1：get 用錯類型拋異常

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

正確做法：先用 std::holds_alternative<double>(v) 檢查，或用 std::get_if。

錯誤 2：variant 中沒有默認類型時默認構造

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

這種情況是合法的，但如果第一種類型沒有默認構造函數，則編譯失敗。

錯誤 3：visit 的 visitor 沒有覆蓋所有類型

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！

正確做法：visit 的 visitor 必須為 variant 中所有類型提供 operator()，或者用泛型 lambda。

使用建議

1. 替代 union：variant 類型安全，知道當前存的是什麼。
2. 用 std::visit + 泛型 lambda 是最簡潔的訪問方式。
3. 需要"知道當前是哪種類型"時用 std::get_if：返回指針，安全高效。
4. 用 variant + visit 實現消息/事件分發：模式匹配的雛形。
5. variant 的大小是所有類型中最大的 + 索引字段：不要存太多大類型。
6. 類型種類有限時用 variant 更清晰：如果類型需要隨插件擴展，繼承和虛函數通常更合適。

小結

• std::variant<T1, T2, ...> 是類型安全的聯合體。
• std::get<T>(v) 直接獲取（不安全），std::get_if<T>(&v) 返回指針（安全）。
• std::visit(visitor, v) 是最推薦的方式，強制覆蓋所有類型。
• 適用於消息分發、可選配置、狀態機等場景。