如何使用c++的std::variant实现一个编译期的状态机？ (模板元编程)

std::variant无法实现编译期状态机，因其所有访问操作均为运行时行为；真正的编译期状态机需用模板参数表示状态、特化trait定义转移规则，并通过static_assert在实例化时静态校验。

std::variant 本身不支持编译期状态转移

直接用 std::variant 实现「编译期状态机」是个常见误解。它本质是运行时类型擦除容器，std::variant 的 index()、valueless_by_exception()、甚至 std::get_if() 都是运行时行为。即使配合 constexpr 构造，也无法在编译期做分支决策（比如根据当前状态决定下一个状态类型）。

真正可行的编译期状态机得靠模板参数推导 + 变参模板递归

核心思路是把「状态」作为模板参数列表，把「转移规则」编码为 SFINAE 或 constexpr if + 类型 trait，让编译器在实例化时静态选择路径。例如：

• 每个状态是一个空结构体：struct Idle {};、struct Running {};
• 转移表用特化模板表达：template struct can_transition : std::false_type {};，再对合法组合显式特化为 std::true_type
• 状态机主体是类模板，携带当前状态类型作为模板参数：template struct StateMachine {};

此时所有状态切换都发生在模板实例化阶段，没有运行时 std::variant 的开销或歧义。

如果非要结合 std::variant，只能用于运行时桥接层

可以将编译期状态机封装后，对外暴露一个运行时接口，内部用 std::variant 存储「当前状态的运行时视图」——但这只是包装，不是编译期实现本身。容易踩的坑包括：

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• 误以为 std::visit([](T&&) { ... }, v) 是编译期分发：实际是运行时根据 v.index() 调用对应分支
• 试图在 constexpr 函数里对 std::variant 做 std::get：C++20 起仅当 v 是 constexpr 且持有 T 时才允许，但无法泛化判断
• 混淆 std::monostate 和「无状态」：它只是占位符，不参与编译期逻辑推导

一个最小可验证的编译期状态机骨架

下面这个例子不依赖 std::variant，但能静态检查非法转移，并在编译失败时给出清晰错误位置：

#include 

struct Idle {};
struct Running {};
struct Paused {};

template
struct can_transition : std::false_type {};

template<> struct can_transition : std::true_type {};
template<> struct can_transition : std::true_type {};
template<> struct can_transition : std::true_type {};
template<> struct can_transition : std::true_type {};

template
struct StateMachine {
    template
    constexpr auto transition() const {
        static_assert(can_transition::value,
                      "Illegal state transition");
        return StateMachine{};
    }
};

// 使用：
// auto sm = StateMachine{}.transition(); // OK
// auto bad = StateMachine{}.transition(); // 编译失败

真正的难点不在语法，而在于如何把业务中的「事件」也建模为类型，并与状态组成二维转移表——那部分需要大量 trait 拆解和别名模板辅助，且一旦状态数超过 5–6 个，维护成本会陡增。