阅读前建议先了解：对象生命周期、Lambda；先分别学习三种状态类型。本篇介绍的新增能力属于 C++17；后续版本差异会另行标注。
普通 int 表示“一定有一个整数”。如果接口还需要表达缺失或不同类型，就需要把这些情况写进返回类型，而不是约定 -1 是失败、再让调用者记住约定。
| 需求 | 选择 | 例子 |
|---|---|---|
| 可能没有值 | optional<T> |
查询用户年龄，可能未填写 |
| 值来自已知几种类型之一 | variant<A, B> |
配置项可以是整数或字符串 |
| 无法在接口中列全要保存的类型 | any |
插件附带的数据 |
三种工具可以分别使用。下面先看最小例，再看组合练习；内存布局和异常细节放在后半篇。
传统接口可能用 -1 表示缺失，或返回 bool 并通过参数输出年龄。optional<int> 把“有无”和“整数”放在同一个返回值中。
#include <iostream>
#include <optional>
std::optional<int> find_age(bool provided) {
if (!provided) return std::nullopt;
return 20;
}
int main() {
const auto known = find_age(true);
const auto unknown = find_age(false);
if (known) {
std::cout << "age=" << *known;
}
std::cout << ", missing=" << std::boolalpha << !unknown << '\n';
}nullopt 表示没有值，if (known) 检查是否有值，*known 才取出整数。空 optional 不是整数 0，也不是默认构造出的一个 int；它不携带缺失原因，需要错误原因可读 C++23 的 expected。
如果配置项只允许整数和文本，传统写法需要类型标签配合 union 或多个字段。variant<int, std::string> 同时管理当前类型与值。
#include <iostream>
#include <string>
#include <variant>
int main() {
std::variant<int, std::string> setting = 42;
if (const int* number = std::get_if<int>(&setting)) {
std::cout << "integer=" << *number;
}
setting = std::string("auto");
if (const std::string* text = std::get_if<std::string>(&setting)) {
std::cout << ", text=" << *text << '\n';
}
}第一次保存整数，赋值后改为字符串。get_if 在类型匹配时返回指针，否则返回空指针，所以判断成功后才能解引用。可选类型在声明中列出；不能任意放入一个未列出的对象。需要为每种类型执行不同逻辑时，后文再介绍 visit。
相比 void* 加手工管理寿命，any 会管理所保存对象的构造、复制和销毁。不过调用者仍须知道要取出的类型。
#include <any>
#include <iostream>
#include <string>
int main() {
std::any metadata = std::string("cpp17");
if (const auto* text = std::any_cast<std::string>(&metadata)) {
std::cout << "tag=" << *text;
}
std::cout << ", integer=" << std::boolalpha
<< (std::any_cast<int>(&metadata) != nullptr) << '\n';
}这里使用指针形式的 any_cast：类型不匹配返回空指针，不抛异常。any_cast<int> 不会把字符串解析为整数，也不会自动执行普通数值转换。保存的类型须可复制；类型集合已知时，优先考虑 variant，便于编译器检查处理是否齐全。
示例同时展示三种状态，但真实接口通常只选其中最准确的一种。这里检查 optional 和 variant 的状态；any 的类型由前面的构造语句确定。
#include <any>
#include <iostream>
#include <optional>
#include <string>
#include <variant>
std::optional<int> parse_answer(bool available) {
return available ? std::optional<int>{42} : std::nullopt;
}
int main() {
const auto answer = parse_answer(true);
std::variant<int, std::string> value = std::string("cpp17");
std::any metadata = std::string("answer");
if (!answer || !std::holds_alternative<std::string>(value)) {
return 1;
}
std::cout << std::any_cast<std::string>(metadata) << '=' << *answer
<< ", tag=" << std::get<std::string>(value) << '\n';
}程序输出 answer=42, tag=cpp17。answer 的有值状态和 value 的字符串备选经过检查；metadata 刚被构造为字符串，因此这里直接使用值形式的 any_cast。错误的 get 或值形式 any_cast 会抛出异常；可通过查询函数、访问器或指针形式转换设计无异常分支。
optional<T> 通常在对象内部预留 T 的对齐存储，再用布尔状态记录是否已构造，不会为普通 T 自动进行堆分配。空状态不构造 T；emplace 在内部存储中直接构造；reset 析构当前值。
它适合“没有结果”是正常分支的场景，但不能携带详细失败原因。解析错误需要诊断时应使用包含错误类型的结果设计。访问前用布尔判断、value_or 或受控 value()；对空对象解引用违反前置条件。
nullopt 明确构造空状态，in_place 和 emplace(args...) 直接在内部存储构造 T。赋值另一个值时，行为取决于当前是否已有对象：可能调用赋值运算，也可能先构造或销毁。has_value() 与显式布尔转换只查询状态。
value() 在空状态抛出 bad_optional_access；operator* 和 operator-> 不承担这种检查。value_or(default) 按值返回，默认值要能转换为 T，并可能引入复制或移动。若 T 很大且只需观察，先判断后解引用更容易控制成本。
optional<T> 不能直接持有引用、void 或数组。需要“可空引用”时，可考虑指针或 optional<reference_wrapper<T>>，并明确被引用对象生命周期。optional<bool> 表达的是三种状态，而不是普通二值布尔的替代品。
实现通常把判别状态与一块能容纳 T 的内联存储放在一起，所以 optional<T> 的尺寸一般大于 T，对齐至少满足 T。它并不承诺利用 T 的某个特殊位模式压缩状态。emplace 会先销毁旧值再尝试构造新值；新构造抛出时对象成为空状态。
空 optional 与 nullopt 相等，并在关系排序中位于任意有值对象之前；两个有值对象再比较内部 T。这使它能自然参与排序，但也意味着排序语义不是“缺失值放最后”，业务若有不同要求必须提供比较器。标准为满足条件的 optional<T> 提供哈希支持，有值时基于 T 的哈希，空状态使用实现定义结果。
optional<optional<T>> 有三个可区分层次：外层为空、外层有值但内层为空、两层都有值。它有时能表达“字段未提供 / 明确清除 / 提供新值”，但若没有这类协议语义，嵌套会增加误解，宜改为领域枚举或 variant。
从 T 构造和赋值 optional<T> 时会参与一组条件化重载。泛型封装里尤其要留意 optional<bool> 等目标，因为“从某个 optional 转成 bool”与“从其内部值构造 bool”可能涉及微妙的重载规则；跨标准版本还存在缺陷修正差异，应对实际支持矩阵编译测试。
variant<Ts...> 保存足以容纳最大备选类型的内联存储、对齐填充和当前索引。切换备选时析构旧值并构造新值，不需要为备选本身做类型擦除。其大小至少受最大备选和判别信息影响。
异常发生在切换过程中时，variant 可能进入 valueless_by_exception 状态。visit 比连续 holds_alternative/get 更适合穷尽处理所有类型；访问者的重载集合可以让新增备选在编译期暴露遗漏。
第一个备选类型决定默认构造行为：若第一个类型可默认构造，默认 variant 持有它并令 index()==0。可把 monostate 放在首位，为本来都不可默认构造的备选集合提供显式空壳状态。重复类型合法，但这时按类型调用 get<T>/holds_alternative<T> 要求 T 在列表中恰好出现一次；按索引访问更明确。
get<I> 或 get<T> 选择错误会抛 bad_variant_access，指针风格的 get_if 在不匹配时返回空指针。index() 返回当前零基索引；无值异常状态返回 variant_npos。代码即使认为所有构造都不抛，也应理解该状态对泛型接口的影响。
#include <iostream>
#include <string>
#include <variant>
template <typename... Functions>
struct Overloaded : Functions... {
using Functions::operator()...;
};
template <typename... Functions>
Overloaded(Functions...) -> Overloaded<Functions...>;
int main() {
const auto printer = Overloaded{
[](int value) { std::cout << "integer=" << value; },
[](const std::string& value) { std::cout << "text=" << value; }
};
std::variant<int, std::string> value = 42;
std::visit(printer, value);
std::cout << ", ";
value = std::string("cpp17");
std::visit(printer, value);
std::cout << '\n';
}Overloaded 用继承合并多个 Lambda 的调用运算符，显式推导指引让 C++17 可以构造这个聚合模板。visit 对每个备选检查访问者是否可调用，并要求所有组合产生满足接口规则的结果；它不是运行期逐个尝试 dynamic_cast，而是基于判别索引分派到已实例化的调用路径。
访问单个 variant 时，实现通常根据索引跳转。多 variant 同时访问需要覆盖备选类型的笛卡尔积，模板实例化数量可能迅速增长。若两个状态机各有十个备选，访问者需要在类型层面应对最多一百种组合；必要时先在领域层降低状态数量或分阶段分派。
从一个普通值构造或赋值 variant 时，标准通过近似重载决议选择唯一可接受备选，而不是简单选择“第一个能转换的类型”。若没有唯一最佳候选，表达式不成立；数值窄化相关候选还会被排除。工程上应避免让多个备选形成模糊的隐式转换网络，必要时用 in_place_type<T> 或 in_place_index<I> 明确指定目标。
emplace<I>(args...) 或 emplace<T>(args...) 直接切换并构造备选。按类型版本仍要求该类型恰好出现一次。切换通常需要先销毁旧备选；新构造若抛出，就可能产生无值异常状态。若目标类型具有不抛移动构造，实现有时可以通过临时对象缩小无值窗口，但程序不能据此假定状态永远存在。
访问器对所有实际组合都必须形成有效调用。C++17 的 visit 要求结果类型满足统一规则，不能让一个分支返回 int、另一个分支返回无关的 string 后期待运行期再决定静态返回类型。对状态集合新增备选后，重载访问器产生的编译错误通常正是需要补齐领域处理的信号。
any 保存任意可复制类型，并记录运行期类型信息以及销毁、复制等擦除操作。小对象可能内联，大对象通常堆分配，具体阈值由实现决定。any_cast<T> 要求类型精确匹配，不执行普通数值隐式转换。
开放性带来更晚的错误发现和更高成本。插件元数据、异构上下文等确实无法预先列举类型时才使用；领域状态通常应选择 variant。
典型实现除存储区外还保留一个管理函数指针或等价表项。这个擦除层知道真实类型，负责销毁、复制、移动以及返回类型信息。type() 在有值时返回所存类型的 type_info，空 any 返回 typeid(void)。
小对象优化是否启用、阈值多大都不属于可移植契约。即使对象尺寸很小，若移动构造可能抛出，实现也可能选择堆分配以维持 any 移动操作的保证。性能关键代码应测量目标标准库，不能通过猜测阈值设计 ABI（二进制接口约定，例如调用方式与对象布局）。
any 要求所存对象可复制构造，因为复制 any 必须复制被擦除值；独占所有权的 unique_ptr 不能直接作为值放入。emplace<T> 会清除旧值并构造新值，失败时对象可能为空。reset() 销毁当前值，has_value() 查询是否非空。
any_cast<T>(&object) 的指针重载不抛异常，类型不精确匹配时返回空指针，适合探测开放元数据。值/引用重载不匹配会抛 bad_any_cast。顶层 cv 和引用会影响返回形式，但底层类型匹配不会执行数值提升或用户定义转换。
移动 any 后，源对象处于有效但具体是否为空由相应操作语义决定，代码应把它当作待重新赋值或安全查询的对象，而不是依赖某个实现的缓冲区交换方式。复制可能调用所存类型的复制构造并抛出；若应用禁用异常，开放的 any 边界需要额外约束可存类型和失败策略。
any::type() 和 any_cast 依赖运行期类型标识。即使两个共享库里存在源码上同名类型，若违反 ODR（单一定义规则，约束一个程序中同一实体的多处声明和定义）、使用不兼容 ABI 或跨越不一致的 RTTI 配置，也不能把 any 当作稳定互操作协议。长期存储和进程边界应使用显式 schema、版本号与序列化格式。
optional 和 variant 的值通常位于包装对象内部，因此包装对象移动、销毁或切换状态会影响指向内部值的引用。any 可能内联也可能堆分配，标准不承诺移动后内部对象地址保持不变。不要长期保存由 *optional、get 或 any_cast<T&> 获得的引用，除非外围对象及其状态变更规则完全受控。
| 需求/接口 | optional |
variant |
any |
|---|---|---|---|
| 状态集合 | 空或一个 T | 编译期封闭 Ts 集合 | 运行期开放可复制类型 |
| 空状态 | nullopt |
可用 monostate 建模 | 默认构造/reset |
| 查询 | has_value |
index/holds_alternative |
has_value/type |
| 安全探测 | 布尔判断 | get_if |
指针版 any_cast |
| 错误访问 | value 抛 bad_optional_access |
get 抛 bad_variant_access |
值版 any_cast 抛 bad_any_cast |
| 原位构造 | emplace |
emplace<I/T> |
emplace<T> |
| 存储模型 | 通常内联 T + 状态 | 最大备选内联存储 + 索引 | 小对象优化或堆由实现决定 |
| 穷尽处理 | 单一值分支 | visit 可编译期覆盖备选 |
调用方运行期约定类型 |
| 无值异常态 | 空 optional | valueless_by_exception |
构造失败后可能为空 |
| 选择原则 | 正常缺失 | 有限代数数据类型 | 真正开放扩展边界 |
源码保存在本文的完整 cpp 围栏中。以下命令从仓库根目录执行，提取并验证本篇全部示例：
python3 tools/verify_examples.py --compiler clang++ --path docs/cpp17/vocabulary-types.md提案用于理解设计动机和最初采用的方案；规范性行为应以对应标准版本和后续缺陷修正后的工作草案为准。