C++ function技术的实现与具体运用

Linux爱好者 2021-01-20 3332

描述

【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

成员类型	说明
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。

1.2 Member functions

成员函数声明	说明
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

1.3 基本使用

#include #include int fun(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; } 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::function f; f = [](int a, int b, int c, int d) -> 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 { // provide argument_type, etc. (sometimes) }; template struct _Arg_types<_Ty1> { // provide argument_type, etc. (sometimes) typedef _Ty1 argument_type; }; template struct _Arg_types<_Ty1, _Ty2> { // provide argument_type, etc. (sometimes) typedef _Ty1 first_argument_type; typedef _Ty2 second_argument_type; }; template class _Func_class : public _Arg_types<_Types...> { // implement function template public: typedef _Ret result_type; typedef _Func_class<_Ret, _Types...> _Myt; typedef _Func_base<_Ret, _Types...> _Ptrt; private: bool _Local() const _NOEXCEPT { // test for locally stored copy of object return (_Getimpl() == _Getspace()); } union _Storage { // storage for small objects (basic_string is small) max_align_t _Dummy1; // for maximum alignment char _Dummy2[_Space_size]; // to permit aliasing _Ptrt *_Ptrs[_Num_ptrs]; // _Ptrs[_Num_ptrs - 1] is reserved }; _Storage _Mystorage; }; template struct _Get_function_impl<_Ret CALL_OPT (_Types...)> { /* determine type from argument list */ typedef _Func_class<_Ret, _Types...> type; }; template class function : public _Get_function_impl<_Fty>::type { // wrapper for callable objects public: typedef function<_Fty> _Myt; };

上面的std::function继承关系比较简单，主要使用

union _Storage { // storage for small objects (basic_string is small) max_align_t _Dummy1; // for maximum alignment char _Dummy2[_Space_size]; // to permit aliasing _Ptrt *_Ptrs[_Num_ptrs]; // _Ptrs[_Num_ptrs - 1] is reserved };

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 { // assign wrapper holding reference_wrapper to function object 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 { // store pointer to object _Mystorage._Ptrs[_Num_ptrs - 1] = _Ptr; } void _Reset_impl(_Fx&& _Val, const _Alloc& _Ax, _Myimpl *, _Alimpl& _Al, false_type) { // store copy of _Val with allocator, small (locally stored) _Myimpl *_Ptr = static_cast<_Myimpl *>(_Getspace()); _Al.construct(_Ptr, _STD forward<_Fx>(_Val), _Ax); _Set(_Ptr); } template void _Reset_alloc(_Fx&& _Val, const _Alloc& _Ax) { // store copy of _Val with allocator if (!_Test_callable(_Val)) { // null member pointer/function pointer/std::function return; // already empty } typedef typename decay<_Fx>::type _Decayed; typedef _Func_impl<_Decayed, _Alloc, _Ret, _Types...> _Myimpl; _Myimpl *_Ptr = 0; typedef _Wrap_alloc<_Alloc> _Alimpl0; typedef typename _Alimpl0::template rebind<_Myimpl>::other _Alimpl; _Alimpl _Al(_Ax); _Reset_impl(_STD forward<_Fx>(_Val), _Ax, _Ptr, _Al, _Is_large<_Myimpl>()); } template void _Reset(_Fx&& _Val) { // store copy of _Val _Reset_alloc(_STD forward<_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 { // get pointer to object return (_Mystorage._Ptrs[_Num_ptrs - 1]); } _Ret operator()(_Types... _Args) const { // call through stored object if (_Empty()) _Xbad_function_call(); return (_Getimpl()->_Do_call(_STD forward<_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...> { // derived class for specific implementation types public: typedef _Func_impl<_Callable, _Alloc, _Rx, _Types...> _Myt; typedef _Func_base<_Rx, _Types...> _Mybase; typedef _Wrap_alloc<_Alloc> _Myalty0; typedef typename _Myalty0::template rebind<_Myt>::other _Myalty; typedef is_nothrow_move_constructible<_Callable> _Nothrow_move; virtual _Rx _Do_call(_Types&&... _Args) { // call wrapped function return (_Invoke_ret(_Forced<_Rx>(), _Callee(), _STD forward<_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：

const int _Num_ptrs = 6 + 16 / sizeof (void *); const size_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：

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 a = 1; int b = 10; int c = 100; }; int main() { CCaller Caller; std::function f; f = Caller; f(10, 20, 30, 40); return 0; }

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) { // store copy of _Val with allocator if (!_Test_callable(_Val)) { // null member pointer/function pointer/std::function return; // already empty } typedef typename decay<_Fx>::type _Decayed; typedef _Func_impl<_Decayed, _Alloc, _Ret, _Types...> _Myimpl; _Myimpl *_Ptr = 0; typedef _Wrap_alloc<_Alloc> _Alimpl0; typedef typename _Alimpl0::template rebind<_Myimpl>::other _Alimpl; _Alimpl _Al(_Ax); _Reset_impl(_STD forward<_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 struct decay { // determines decayed version of _Ty typedef typename remove_reference<_Ty>::type _Ty1; typedef typename _If::value, typename remove_extent<_Ty1>::type *, typename _If::value, typename add_pointer<_Ty1>::type, typename remove_cv<_Ty1>::type>::type>::type type; };

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

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