C++如何使用std::variant实现状态机？（代码示例）

用std::variant实现状态机的核心思路是将各状态建模为独立轻量类型（如空结构体或含数据的小结构），用variant持有当前状态，并通过std::visit分发处理逻辑，实现类型安全、无虚函数、无动态分配的状态机。

用 std::variant 实现状态机，核心思路是把每个状态建模为一个独立的、无状态的类型（如空结构体或带数据的小结构），再用 std::variant 持有当前状态。配合 std::visit 分发处理逻辑，能写出类型安全、无虚函数、无动态分配的状态机。

定义状态类型

每个状态用一个轻量级类型表示，推荐使用空结构体（语义清晰）或含必要数据的结构体（如等待超时时间、缓存值等）：

struct Idle {};
struct Connecting { std::string host; int port; };
struct Connected { int socket_fd; };
struct Error { std::string message; };

然后组合成 variant：

using State = std::variant;

封装状态机类

将 State 封装在类中，并提供状态转换与行为分发接口：

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class NetworkStateMachine {
private:
    State state_ = Idle{};
public:
void connect(const std::string& host, int port) {
std::visit(overloaded{
& { state = Connecting{host, port}; },
& { / 忽略重复调用 / },
& { / 已连接，可选择断开再连 / },
[&](Error&& e) { state = Connecting{host, port}; } // 重试
}, state_);
}
void on_connected(int fd) {
    std::visit(overloaded{
        [&](https://www.php.cn/link/cc11d15b3f413bf76897f2b8cff222fa c) { state_ = Connected{fd}; },
        [&](auto&&) { /* 其他状态不响应 */ }
    }, state_);
}

void on_error(std::string msg) {
    std::visit(overloaded{
        [&](https://www.php.cn/link/cc11d15b3f413bf76897f2b8cff222fa c) { state_ = Error{std::move(msg)}; },
        [&](https://www.php.cn/link/1e60bf71283dac0b8777b83250813e56 c) { state_ = Error{std::move(msg)}; },
        [&](auto&&) { /* Idle 或 Error 不变 */ }
    }, state_);
}
};

其中 overloaded 是常见辅助工具（C++17 起可直接用 lambda 重载）：

							

								
								

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AI移出图片背景工具
								
								下载 
							
						
template struct overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; };
template overloaded(Ts...)-> overloaded;
统一处理当前状态行为
用 std::visit 驱动状态相关动作，例如定时器检查、日志输出或事件派发：
void tick() {
    std::visit(overloaded{
        [](Idle&) { std::cout << "Idle: waiting for command\n"; },
        [](Connecting& c) { std::cout << "Connecting to " << c.host << ":" << c.port << "\n"; },
        [](Connected& c) { std::cout << "Connected (fd=" << c.socket_fd << ")\n"; },
        [](Error& e) { std::cerr << "Error: " << e.message << "\n"; }
    }, state_);
}
注意事项与技巧
状态转换需显式覆盖所有分支：编译器不会自动警告遗漏某个状态，建议用 [[maybe_unused]] + 完整枚举式 visit，或借助静态断言辅助检查。
避免状态内持有大对象：variant 内部按最大类型对齐和存储，频繁切换含大成员的状态会增加拷贝开销；可改用 std::unique_ptr 包装（但失去栈语义）或只存 ID/引用。
支持异步迁移时注意所有权：比如从 Connecting 切换到 Connected 时，socket fd 应转移而非复制，可用 std::move 配合移动构造函数保证安全。
调试友好性：可添加 std::string to_string(const State& s) 辅助函数，方便日志和断点观察。