讲解C++ function 技术的实现与具体运用

【导读】：本文主要讲解 C++ function 技术的实现与具体运用。

std::function是一个函数对象的包装器，std::function的实例可以存储，复制和调用任何可调用的目标，包括：

函数。

lamada表达式。

绑定表达式或其他函数对象。

指向成员函数和指向数据成员的指针。

当std::function对象没有初始化任何实际的可调用元素，调用std::function对象将抛出std::bad_function_call异常。

本文我们来谈一下std::function的实现原理。

1. std::function简介

在讨论其原理的时候，我们来熟悉一下这个东西是怎么使用的，C++标准库详细说明了这个的基本使用http://www.cplusplus.com/reference/functional/function/.

这里我们大概总结一下。

1.1 Member types

result_type	返回类型
argument_type	如果函数对象只有一个参数，那么这个代表参数类型。
first_argument_type	如果函数对象有两个个参数，那么这个代表第一个参数类型。
second_argument_type	如果函数对象有两个个参数，那么这个代表第二个参数类型。
成员类型	说明

1.2 Member functions

constructor	构造函数：constructs a new std::function instance
destructor	析构函数：destroys a std::function instance
operator=	给定义的function对象赋值
operator bool	检查定义的function对象是否包含一个有效的对象
operator()	调用一个对象
成员函数声明	说明

1.3 基本使用

#include #include intfun(inta,intb,intc,intd) { std::cout<< a << std::endl;  std::cout << b << std::endl;  std::cout << c << std::endl;  std::cout << d << std::endl;  return 0; } class CCaller { public:  int operator()(int a, int b, int c, int d)  {   std::cout << a << std::endl;   std::cout << b << std::endl;   std::cout << c << std::endl;   std::cout << d << std::endl;   return 0;  } }; int main() {  CCaller Caller;  std::functionf; f=[](inta,intb,intc,intd)->int { std::cout<< a << std::endl;   std::cout << b << std::endl;   std::cout << c << std::endl;   std::cout << d << std::endl;   return 0;  };  f(1, 2, 3, 4);  f = Caller;  f(10, 20, 30, 40);  f = fun;  f(100, 200, 300, 400);     return 0; }

从上面我们可以发现，std::function可以表示函数，lamada，可调用类对象。

2. std::function实现

在标准库中STL设计为如下：

template struct_Arg_types {//provideargument_type,etc.(sometimes) }; template struct_Arg_types<_Ty1> {//provideargument_type,etc.(sometimes) typedef_Ty1argument_type; }; template struct_Arg_types<_Ty1, _Ty2> {//provideargument_type,etc.(sometimes) typedef_Ty1first_argument_type; typedef_Ty2second_argument_type; }; template class_Func_class :public_Arg_types<_Types...> {//implementfunctiontemplate public: typedef_Retresult_type; typedef_Func_class<_Ret, _Types...>_Myt; typedef_Func_base<_Ret, _Types...>_Ptrt; private: bool_Local()const_NOEXCEPT {//testforlocallystoredcopyofobject return(_Getimpl()==_Getspace()); } union_Storage {//storageforsmallobjects(basic_stringissmall) max_align_t_Dummy1;//formaximumalignment char_Dummy2[_Space_size];//topermitaliasing _Ptrt*_Ptrs[_Num_ptrs];//_Ptrs[_Num_ptrs-1]isreserved }; _Storage_Mystorage; }; template struct_Get_function_impl<_Ret CALL_OPT (_Types...)> {/*determinetypefromargumentlist*/ typedef_Func_class<_Ret, _Types...>type; }; template classfunction :public_Get_function_impl<_Fty>::type {//wrapperforcallableobjects public: typedeffunction<_Fty>_Myt; };

上面的std::function继承关系比较简单，主要使用

union_Storage { //storageforsmallobjects(basic_stringissmall) max_align_t_Dummy1;//formaximumalignment char_Dummy2[_Space_size];//topermitaliasing _Ptrt*_Ptrs[_Num_ptrs];//_Ptrs[_Num_ptrs-1]isreserved };

这个来存储我们设置的可调用对象，我们从std::function的使用过程看一下整个原理。

2.1 函数对象赋值

我们使用的时候一般使用f = Caller;来设置函数对象，我们看下这个的实现过程。

template _Myt&operator=(reference_wrapper<_Fx>_Func)_NOEXCEPT { //assignwrapperholdingreference_wrappertofunctionobject this->_Tidy(); this->_Reset(_Func); return(*this); }

我们看this->_Reset(_Func)这个函数，因为这个才是设置函数可调用对象的东西。

void_Set(_Ptrt*_Ptr)_NOEXCEPT {//storepointertoobject _Mystorage._Ptrs[_Num_ptrs-1]=_Ptr; } void_Reset_impl(_Fx&&_Val,const_Alloc&_Ax, _Myimpl*,_Alimpl&_Al,false_type) {//storecopyof_Valwithallocator,small(locallystored) _Myimpl*_Ptr=static_cast<_Myimpl *>(_Getspace()); _Al.construct(_Ptr,_STDforward<_Fx>(_Val),_Ax); _Set(_Ptr); } template void_Reset_alloc(_Fx&&_Val,const_Alloc&_Ax) {//storecopyof_Valwithallocator if(!_Test_callable(_Val)) {//nullmemberpointer/functionpointer/std::function return;//alreadyempty } typedeftypenamedecay<_Fx>::type_Decayed; typedef_Func_impl<_Decayed, _Alloc, _Ret, _Types...>_Myimpl; _Myimpl*_Ptr=0; typedef_Wrap_alloc<_Alloc>_Alimpl0; typedeftypename_Alimpl0::templaterebind<_Myimpl>::other_Alimpl; _Alimpl_Al(_Ax); _Reset_impl(_STDforward<_Fx>(_Val),_Ax, _Ptr,_Al,_Is_large<_Myimpl>()); } template void_Reset(_Fx&&_Val) { //storecopyof_Val _Reset_alloc(_STDforward<_Fx>(_Val),allocator()); }

这个代码的主要意思就是创建一个_Func_impl<_Decayed, _Alloc, _Ret, _Types...>指针，然后赋值_Mystorage._Ptrs[_Num_ptrs - 1] = _Ptr;。

设置之后，我们看下调用操作怎么完成。

2.2 operator() 的实现

调用操作主要是通过operator()来实现的，我们看下这个的实现过程。

_Ptrt*_Getimpl()const_NOEXCEPT {//getpointertoobject return(_Mystorage._Ptrs[_Num_ptrs-1]); } _Retoperator()(_Types..._Args)const {//callthroughstoredobject if(_Empty()) _Xbad_function_call(); return(_Getimpl()->_Do_call(_STDforward<_Types>(_Args)...)); }

因此，我们是通过_Func_impl<_Decayed, _Alloc, _Ret, _Types...>转发了调用操作_Do_call

2.3 _Func_impl的实现

class_Func_impl :public_Func_base<_Rx, _Types...> {//derivedclassforspecificimplementationtypes public: typedef_Func_impl<_Callable, _Alloc, _Rx, _Types...>_Myt; typedef_Func_base<_Rx, _Types...>_Mybase; typedef_Wrap_alloc<_Alloc>_Myalty0; typedeftypename_Myalty0::templaterebind<_Myt>::other_Myalty; typedefis_nothrow_move_constructible<_Callable>_Nothrow_move; virtual_Rx_Do_call(_Types&&..._Args) {//callwrappedfunction return(_Invoke_ret(_Forced<_Rx>(),_Callee(), _STDforward<_Types>(_Args)...)); } _Compressed_pair<_Alloc, _Callable>_Mypair; };

_Func_impl这个类通过_Do_call来转发函数对象的调用操作。

3. 总结

这里我们看下std::function的结构信息，如下：

从这里我们发现_Storage大小为：

constint_Num_ptrs=6+16/sizeof(void*); constsize_t_Space_size=(_Num_ptrs-1)*sizeof(void*);

_Num_ptrs值为10。

如果我们赋值的对象有成员变量会是什么情况呢？例如如下：

classCCaller { public: intoperator()(inta,intb,intc,intd) { std::cout<< a << std::endl;   std::cout << b << std::endl;   std::cout << c << std::endl;   std::cout << d << std::endl;   return 0;  }  int a = 1;  int b = 10;  int c = 100; }; int main() {  CCaller Caller;  std::functionf; f=Caller; f(10,20,30,40); return0; }

内存结构如下：

由此我们可以发现std::function是利用一个_Compressed_pair<_Alloc, _Callable> _Mypair;拷贝了元素的数据信息。

主要的初始化过程为：

emplate void_Reset_alloc(_Fx&&_Val,const_Alloc&_Ax) {//storecopyof_Valwithallocator if(!_Test_callable(_Val)) {//nullmemberpointer/functionpointer/std::function return;//alreadyempty } typedeftypenamedecay<_Fx>::type_Decayed; typedef_Func_impl<_Decayed, _Alloc, _Ret, _Types...>_Myimpl; _Myimpl*_Ptr=0; typedef_Wrap_alloc<_Alloc>_Alimpl0; typedeftypename_Alimpl0::templaterebind<_Myimpl>::other_Alimpl; _Alimpl_Al(_Ax); _Reset_impl(_STDforward<_Fx>(_Val),_Ax, _Ptr,_Al,_Is_large<_Myimpl>()); }

其中decay<_Fx>::type定义了_Compressed_pair<_Alloc, _Callable> _Mypair;中_Callable的类型，这个声明如下（也就是去掉引用和其他属性信息）：

template structdecay {//determinesdecayedversionof_Ty typedeftypenameremove_reference<_Ty>::type_Ty1; typedeftypename_If::value, typenameremove_extent<_Ty1>::type*, typename_If::value, typenameadd_pointer<_Ty1>::type, typenameremove_cv<_Ty1>::type>::type>::typetype; };

至此，我们大致上完成了std::function的原理分析了，希望在后续的使用中，我们能够知道std::function在什么情况下可以使用，以及背后完成的事情。

责任编辑：lq