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C++11 包装器function

文章首发公众号:iDoitnow

C++提供了多个包装器,它们主要是为了给其他编程接口提供更一致或更合适的接口。C++11提供了多个包装器,这里我们重点了解一下包装器function

对于function, C++ 参考手册给出的定义为:

类模板 std::function 是通用多态函数封装器。 std::function 的实例能存储、复制及调用任何可调用 (Callable) 目标——函数、 lambda 表达式、 bind 表达式或其他函数对象,还有指向成员函数指针和指向数据成员指针。

C++11为什么要引入function

我们先看一个例子:

#include <iostream>template <typename T, typename F>
T use_f(T v, F f) {static int count = 0;count++;std::cout << " use_f count = " << count << ", &count = " << &count<< std::endl;return f(v);
}class Fp {private:double z_;public:Fp(double z = 1.0) : z_(z) {}double operator()(double p) { return z_ * p; }
};class Fq {private:double z_;public:Fq(double z = 1.0) : z_(z) {}double operator()(double q) { return z_ + q; }
};double dub(double x) { return 2.0 * x; }
double square(double x) { return x * x; }
int main() {using std::cout;using std::endl;double y = 1.21;cout << "Function pointer dub:\n";/*dub是函数名(函数名是一个指针),因此参数F对应的类型为double(*)double,即一个指向(接受一个double参数并返回一个double的)函数指针*/cout << " " << use_f(y, dub) << endl; cout << "Function pointer square:\n";cout << " " << use_f(y, square) << endl;//同上cout << "Function object Fp:\n";//Fp(5.0)是一个参数对象,F对应的类型为Fpcout << " " << use_f(y, Fp(5.0)) << endl;cout << "Function object Fq:\n";//Fq(5.0)是一个参数对象,F对应的类型为Fqcout << " " << use_f(y, Fq(5.0)) << endl;cout << "Lambda expression 1:\n";//此处是一个lambda表达式,F对应的类型为该lambda表达式使用的类型cout << " " << use_f(y, [](double u) { return u * u; }) << endl;cout << "Lambda expression 2:\n";此处是一个lambda表达式,F对应的类型为该lambda表达式使用的类型cout << " " << use_f(y, [](double u) { return u + u / 2.0; }) << endl;return 0;
}

程序通过一个模板函数use_f使用参数f表示调用的类型,然后将f(v)返回。在主函数中我们6次调用模板函数,对于前两个调用的use_f为同一个实例化。后面四个,每一个都有其对应use_f的实例化。实际上,上述代码的运行结果如下:

Function pointer dub:use_f count = 1, &count = 0x555555756140
2.42
Function pointer square:use_f count = 2, &count = 0x555555756140
1.4641
Function object Fp:use_f count = 1, &count = 0x555555756144
6.05
Function object Fq:use_f count = 1, &count = 0x555555756148
6.21
Lambda expression 1:use_f count = 1, &count = 0x555555756138

从运行结果中,我们可以看出,在这六次调用中use_f的实例化了5次。使用模板函数,看似统一了操作形式,但其对于不同类型的F对模板函数都要进行一次实例化,这大大增加了编译的时长,并使头文件也增大,同时也降低了代码的执行效率。为了解决这类问题,我们首先能想到的解决办法就是:降低use_f的实例化的次数,理想的情况下是:在这6次循环调用的时候,调用同一个use_f的实例。针对上述例子,根据代码注释的分析,如果我们能将这6次调用中模板函数中F的类型保持统一,就可以像第一、二次调用的情况类似,使这六次调用同一个use_f的实例成为可能。

针对例子中的函数指针、函数对象和lambda表达式,它们有一个共同的特征:都是接受一个double参数并返回一个double值。也就是它们的调用特征标(它们的特征标都是double(double))相同。这便是function解决这个问题的关键。【:调用特征标是由返回类型和参数类型列表决定的,其格式为:返回类型(参数类型列表),其中每个参数类型用逗号分隔。】

因此,C++11引入了function包装器。function包装器可以简单理解为一个接口,它可以将特征标相同的函数指针、函数对象和lambda表达式等统一定义为一类特殊的对象。

function的用法

包装器function的本质是一个模板,它是在头文件functional中声明,其使用方法如下:

template< class >
class function; template< class R, class... Args >
class function<R(Args...)>;

其中R为被调用函数的返回类型,Args为被调用函数的形参。存储的可调用对象被称为std::function的目标,如果目标为空,则调用空的function会导致抛出std::bad_function_call异常。

示例:

#include <functional>
#include <iostream>void print_num(int i) { std::cout << i << '\n'; }int main() {// 存储自由函数std::function<void(int)> f_display = print_num;f_display(-9);// 存储 lambdastd::function<double(double)> f_dub = [](double a) { return 2.0 * a; };std::cout << f_dub(2) << '\n';// 存储目标为空std::function<int()> f = nullptr;try {f();} catch (const std::bad_function_call& e) { //抛出异常std::cout << e.what() << '\n';}
}

输出结果为:

-9
4
bad_function_call

在了解完function的用法之后,回到我们最开始的问题,其中,6次循环中要处理的目标的特征标均为double(double),因此,我们班使用function包装器将它们将统一“包装”成function<double(double)类型,这样模板函数use_f将只实例化一次。使用function包装器改进后的代码如下所示:

#include <functional>
#include <iostream>template <typename T, typename F>
T use_f(T v, F f) {static int count = 0;count++;std::cout << " use_f count = " << count << ", &count = " << &count<< std::endl;return f(v);
}class Fp {private:double z_;public:Fp(double z = 1.0) : z_(z) {}double operator()(double p) { return z_ * p; }
};class Fq {private:double z_;public:Fq(double z = 1.0) : z_(z) {}double operator()(double q) { return z_ + q; }
};double dub(double x) { return 2.0 * x; }
double square(double x) { return x * x; }
int main() {using std::cout;using std::endl;using std::function;double y = 1.21;typedef function<double(double)> fdd;  // simplify the type declarationcout << "Function pointer dub:\n";cout << " " << use_f(y, fdd(dub)) << endl;cout << "Function pointer square:\n";cout << " " << use_f(y, fdd(square)) << endl;cout << "Function object Fp:\n";cout << " " << use_f(y, fdd(Fq(10.0))) << endl;cout << "Function object Fq:\n";cout << " " << use_f(y, fdd(Fp(10.0))) << endl;cout << "Lambda expression 1:\n";cout << " " << use_f(y, fdd([](double u) { return u * u; })) << endl;cout << "Lambda expression 2:\n";cout << " " << use_f<double>(y, fdd([](double u) { return u + u / 2.0; }))<< endl;return 0;
}

输出结果为:

Function pointer dub:use_f count = 1, &count = 0x555555758134
2.42
Function pointer square:use_f count = 2, &count = 0x555555758134
1.4641
Function object Fp:use_f count = 3, &count = 0x555555758134
11.21
Function object Fq:use_f count = 4, &count = 0x555555758134
12.1
Lambda expression 1:use_f count = 5, &count = 0x555555758134
1.4641
Lambda expression 2:use_f count = 6, &count = 0x555555758134
1.815

从输出结果可以看出,use_f确实只实例化了一次,增加了编码效率,6次循环调用同一个函数,增加了代码额执行效率。

总结

function包装器将可调用对象的类型进行统一,便于我们对其进行统一化管理,同时,使用function包装器可以解决模板效率低下,实例化多份的问题。

参考文献

C++ Primer Plus(第六版) - 第18章 探讨C++新标准
C++ 参考手册

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