C++中std::variant怎么实现多态存储_C++无继承实现类型安全容器【设计】

std::variant 是类型安全的编译期确定联合体，不是多态机制；它在运行时仅存一种已知类型，通过 index() 或 holds_alternative() 跟踪活跃类型，适用于 JSON 解析等有限类型场景。

std::variant 是什么，不是什么

std::variant 不是多态机制，它不依赖虚函数表，也不要求类型间有继承关系。它本质是一个**类型安全的联合体（union）**，在编译期确定所有可能类型，运行时仅存其中一种，并用内部索引（index()）或类型标签（holds_alternative()）跟踪当前活跃类型。

它解决的问题很具体：需要一个变量能“在几个已知类型中选一个”并保证访问安全，比如解析 JSON 时字段可能是 int、double 或 std::string，但绝不会是用户自定义未声明的类型。

怎么正确构造和访问 variant

构造时必须明确初始化为某一个可选项，不能留空（除非含 std::monostate）；访问必须通过 std::visit 或 std::get，且后者在类型不匹配时抛 std::bad_variant_access 异常。

• 推荐用 std::visit + lambda 处理所有分支，避免手动检查 index() 或重复调用 holds_alternative
• std::get(v) 仅在 100% 确认当前是 T 时使用（例如刚用 holds_alternative(v) 检查过）
• 若需默认行为，把 std::monostate 放在 variant 列表首位，它代表“空状态”，可被默认构造

std::variant v = 42;
std::visit([](auto&& x) {
    using T = std::decay_t;
    if constexpr (std::is_same_v) {
        std::cout << "int: " << x;
    } else if constexpr (std::is_same_v) {
        std::cout << "double: " << x;
    } else {
        std::cout << "string: " << x;
    }
}, v);

为什么不能替代继承多态，以及它的代价在哪

std::variant 的类型集合在编译期固定，无法动态扩展；而继承多态靠运行时绑定，支持新子类无需修改已有容器逻辑。这是根本设计分歧，不是“哪个更好”，而是“是否适用”。

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空间上，std::variant 至少占用最大类型的大小（+ 少量索引开销），比指针大得多；时间上，std::visit 是零成本抽象（通常内联为跳转表或级联 if），但每次访问都要检查活跃类型——这在高频循环里可能成为瓶颈。

• 不要用 std::variant 模拟多态：失去虚函数调度意义，且指针本身已可多态，variant 只是套壳
• 避免嵌套过深的 variant（如 variant, variant<...>>），可读性和编译时间会显著恶化
• 若类型集合随业务增长频繁变更，说明它其实更适合用基类指针 + 工厂，而非 variant

常见误用：把 variant 当成万能容器

有人试图用 std::variant<:vector>, std::vector, std::vector<:string>> 来统一管理不同元素类型的容器——这违反了 variant 的设计意图，也丧失了 std::vector 的通用接口优势。

• 这种场景更适合模板参数化容器（如 template struct MyContainer { std::vector data; };）
• 或者用 std::any（运行时擦除，无类型安全）或 void*（完全放弃安全）——但都不如 variant 适合其本职工作
• variant 的价值恰恰在于“有限、明确、静态可知的类型集合”，一旦开始绕开这个前提，就是在用错工具

真正难的不是写对语法，而是判断某个需求到底该用 std::variant、std::any、继承体系，还是干脆用模板——边界模糊时，先问一句：这些类型在编译期能不能全部列出来？如果不能，variant 就不该出场。