泛形variant+visit

1.引言

在python里可以让一个变量变成不同的类型，拥有不同的值，且根据不同的类型执行不同的操作，当不同的类型拥有同样的函数时，这样我们就不用再重复写一堆代码了

但如果在c++中实现类似的功能，比较经典的处理方式是用虚函数 + 子类重写的方式，

c++ 复制代码

class Base{
    virtual void accept(visitor) = 0;
}
class sub1:Base{
    void accept(visitor){
    visitor->visit(this)
}
}
class sub2:Base{
void accept(visitor){
    visitor->visit(this)
}

这样的话代码的冗余度就高了，且每次添加新都需要新建一个类

有没有更简单一些的方式呢，接下来的variant+visit能够很好的解决该问题

2. variant

std::variant 是 C++17 标准中引入的一种数据类型，它允许在一个变量中存储多种不同类型的值，这些值被称为"备选项"或"可替代项"。std::variant 本质上是一种类型安全的联合（Union）类型

2.1 特点

类型安全 ：std::variant 确保在编译时检查类型，因此可以避免运行时的类型错误。
多态值 ：std::variant 可以存储不同的数据类型，这使得它非常灵活，可以在一种类型安全的情况下处理多态值。
访问备选项 ：使用 std::get<>() 或 std::get_if<>() 可以访问 std::variant 中存储的备选项。此外，std::visit() 函数提供了一种通用的方式来访问 std::variant 中的值，类似于多态行为。
异常安全 ：与使用裸指针和类型转换相比，std::variant 提供了更好的异常安全性，因为它保证只能存储其所允许的类型。
替代方案 ：在以前的 C++ 版本中，通常会使用联合（Union）类型来实现多态值的存储，但这种方法没有提供类型安全性，并且通常需要显式的类型检查和转换。std::variant 提供了一个更安全、更方便的替代方案。

2.2 简单示例

c++ 复制代码

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

int main() {
    std::variant<int, double, std::string> v;
    v = 10;
    std::cout << "Value: " << std::get<int>(v) << std::endl;

    v = 3.14;
    std::cout << "Value: " << std::get<double>(v) << std::endl;

    v = "Hello, variant!";
    std::cout << "Value: " << std::get<std::string>(v) << std::endl;

    return 0;
}

如果只是简单的使用variant, 从上例可以看出，每次都要往std::get<>里传入确定的类型，这样的话，只是实现的一个带有类型擦除的不同类型的存储结构，无法根据类型做不同的执行

3. variant+visit

std::visit 用于访问 std::variant 中存储的值。使用方式如下

3.1 示例1------多类型同名函数调用

c++ 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <variant>
#include <vector>
 
// variant
using var_t = std::variant<int, long, double, std::string>;

int main() {
    std::string s = "\n";
    std::vector<var_t> vec = {10, 15l, 1.5, "hello"};
    for(auto&& v: vec) {
        std::visit([&](auto&& arg){
            std::cout << arg; 
            std::cout << s;
        }, v);
    }
}

output

sh 复制代码

10
15
1.5
hello

3.2 示例2------返回值

c++ 复制代码

#include <iostream>
#include <string>
#include <variant>
#include <vector>
 
// variant
using var_t = std::variant<int, long, double, std::string>;

int main() {
    std::string s = "\n";
    std::vector<var_t> vec = {10, 15l, 1.5, "hello"};
    for(auto&& v: vec) {
        //返回w的值为不同的值相加
     var_t w = std::visit([](auto&& arg) -> var_t {return arg + arg;}, v);
    }
}

3.3 示例3------类型匹配1

类型匹配 即可根据不同的类型做不同的执行

c++ 复制代码

#include <iostream>
#include <variant>
#include <string>
struct PrintVisitor {
    void operator()(int value) const {
        std::cout << "Integer value: " << value << std::endl;
    }
    void operator()(double value) const {
        std::cout << "Double value: " << value << std::endl;
    }
    void operator()(const std::string& value) const {
        std::cout << "String value: " << value << std::endl;
    }
};

int main() {
    std::variant<int, double, std::string> v;
    v = 10;
    std::visit(PrintVisitor{}, v);
    v = 3.14;
    std::visit(PrintVisitor{}, v);
    v = "Hello, variant!";
    std::visit(PrintVisitor{}, v);

    return 0;
}

3.4 示例4------类型匹配2

c++ 复制代码

#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <string>
#include <variant>
#include <vector>
 
// 要观览的 variant
using var_t = std::variant<int, long, double, std::string>;
 
// 1 的辅助常量
template<class> inline constexpr bool always_false_v = false;
 
// 2 的辅助类型
template<class... Ts> struct overloaded : Ts... { using Ts::operator()...; };
// 显式推导指引（ C++20 起不需要）
template<class... Ts> overloaded(Ts...) -> overloaded<Ts...>;
 
int main() {
    std::vector<var_t> vec = {10, 15l, 1.5, "hello"};
    for(auto&& v: vec) {
        // 1 类型匹配观览器：亦能为带 4 个重载的 operator() 的类
        std::visit([](auto&& arg) {
            using T = std::decay_t<decltype(arg)>;
            if constexpr (std::is_same_v<T, int>)
                std::cout << "int with value " << arg << '\n';
            else if constexpr (std::is_same_v<T, long>)
                std::cout << "long with value " << arg << '\n';
            else if constexpr (std::is_same_v<T, double>)
                std::cout << "double with value " << arg << '\n';
            else if constexpr (std::is_same_v<T, std::string>)
                std::cout << "std::string with value " << std::quoted(arg) << '\n';
            else 
                static_assert(always_false_v<T>, "non-exhaustive visitor!");
        }, v);
    }
 
    for (auto&& v: vec) {
        // 2类型匹配观览器：有三个重载的 operator() 的类
        std::visit(overloaded {
            [](auto arg) { std::cout << arg << ' '; },
            [](double arg) { std::cout << std::fixed << arg << ' '; },
            [](const std::string& arg) { std::cout << std::quoted(arg) << ' '; },
        }, v);
    }
}

output

sh 复制代码

int with value 10
long with value 15
double with value 1.5
std::string with value "hello"
10 15 1.500000 "hello"

4. 结语

使用varirant+visit 能够避免多态使用里的不必要新类够建，与lambda结合能快速实现简洁且通用的代码，是一块功能强大的语法糖

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