【導讀】：本文主要講解 C++ function 技術的實現與具體運用。

std::function是一個函數對象的包裝器，std::function的實例可以存儲，復制和調用任何可調用的目標，包括：

函數。

lamada表達式。

綁定表達式或其他函數對象。

指向成員函數和指向數據成員的指針。

當std::function對象沒有初始化任何實際的可調用元素，調用std::function對象將拋出std::bad_function_call異常。

本文我們來談一下std::function的實現原理。

1. std::function簡介

在討論其原理的時候，我們來熟悉一下這個東西是怎么使用的，C++標準庫詳細說明了這個的基本使用http://www.cplusplus.com/reference/functional/function/.

這里我們大概總結一下。

1.1 Member types

1.2 Member functions

1.3 基本使用

#include #include intfun(inta,intb,intc,intd) { std::cout<f; f=[](inta,intb,intc,intd)->int { std::cout<

從上面我們可以發現，std::function可以表示函數，lamada，可調用類對象。

2. std::function實現

在標準庫中STL設計為如下：

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繼承關系比較簡單，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 };

這個來存儲我們設置的可調用對象，我們從std::function的使用過程看一下整個原理。

2.1 函數對象賦值

我們使用的時候一般使用f = Caller;來設置函數對象，我們看下這個的實現過程。

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

我們看this->_Reset(_Func)這個函數，因為這個才是設置函數可調用對象的東西。

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()); }

這個代碼的主要意思就是創建一個_Func_impl<_Decayed, _Alloc, _Ret, _Types...>指針，然后賦值_Mystorage._Ptrs[_Num_ptrs - 1] = _Ptr;。

設置之后，我們看下調用操作怎么完成。

2.2 operator() 的實現

調用操作主要是通過operator()來實現的，我們看下這個的實現過程。

_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，我們是通過_Func_impl<_Decayed, _Alloc, _Ret, _Types...>轉發了調用操作_Do_call

2.3 _Func_impl的實現

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這個類通過_Do_call來轉發函數對象的調用操作。

3. 總結

這里我們看下std::function的結構信息，如下：

從這里我們發現_Storage大小為：

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

_Num_ptrs值為10。

如果我們賦值的對象有成員變量會是什么情況呢？例如如下：

classCCaller { public: intoperator()(inta,intb,intc,intd) { std::cout<f; f=Caller; f(10,20,30,40); return0; }

內存結構如下：

由此我們可以發現std::function是利用一個_Compressed_pair<_Alloc, _Callable> _Mypair;拷貝了元素的數據信息。

主要的初始化過程為：

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定義了_Compressed_pair<_Alloc, _Callable> _Mypair;中_Callable的類型，這個聲明如下（也就是去掉引用和其他屬性信息）：

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，我們大致上完成了std::function的原理分析了，希望在后續的使用中，我們能夠知道std::function在什么情況下可以使用，以及背后完成的事情。

責任編輯：lq