C++中function的实现原理详解

1. function的概述

function是C++11引入的一个函数对象封装器，它可以像函数指针一样存储和调用可调用对象。function可以存储的可调用对象包括函数、函数指针、成员函数指针和仿函数等，因此它具有很高的灵活性和通用性。

function的定义形式如下：

std::function<return_type(args...)> func;

其中，return_type是函数或可调用对象的返回值类型，args是函数或可调用对象的参数类型。

2. function的实现原理

function的实现原理主要是通过模板实现的。其基本思想是将可调用对象存储在一个类中，并提供一个模板函数来进行调用。

2.1 function的类结构

function的类结构主要包含两个类模板：function和function_base。其中，function是一个模板类，用于存储任何可调用对象；function_base是一个抽象类，用于提供可调用对象的存储和调用接口。

class function_base {
public:
    virtual ~function_base() {}
    virtual return_type operator()(args...) const = 0;
};

template<typename F, typename Allocator = std::allocator<F>>
class function : public function_base {
    // ...
};

2.2 function的构造和析构函数

function的构造函数包括默认构造函数、拷贝构造函数、移动构造函数和从各种可调用对象构造的构造函数，其中最为复杂的是从任意可调用对象构造的构造函数。

这个构造函数的具体实现过程如下：

1. 检测可调用对象的类型，如果是空指针，则构造一个空的function。
2. 如果可调用对象是一个函数，则将其存储在一个function对象中。
3. 如果可调用对象是一个函数指针，则将它转换为function对象。
4. 如果可调用对象是一个成员函数指针，则将它存储在一个function对象中。
5. 如果可调用对象是一个仿函数，则将它转换为function对象。
6. 否则，抛出std::bad_function_call异常。

function的析构函数主要是通过删除函数指针来释放内存。

2.3 function的operator()函数

function的operator()函数是通过调用function_base的operator()函数来实现的。实现过程如下：

1. 首先判断可调用对象是否为空，如果为空，则抛出std::bad_function_call异常。
2. 调用function_base的operator()函数来执行可调用对象。

2.4 示例说明

下面是一个使用function实现的简单的计算器程序示例。

#include <functional>
#include <iostream>

int main() {
    std::function<int(int, int)> calculate;
    char op = '+';
    int a = 0, b = 0;

    while (true) {
        std::cout << "Enter an arithmetic expression: ";
        std::cin >> a >> op >> b;

        switch (op) {
            case '+':
                calculate = [](int x, int y) { return x + y; };
                break;
            case '-':
                calculate = [](int x, int y) { return x - y; };
                break;
            case '*':
                calculate = [](int x, int y) { return x * y; };
                break;
            case '/':
                calculate = [](int x, int y) { return x / y; };
                break;
            case 'q':
                return 0;
            default:
                std::cout << "Invalid operator!" << std::endl;
                continue;
        }

        std::cout << "Result: " << calculate(a, b) << std::endl;
    }

    return 0;
}

在上面的示例中，我们用function封装了一个可调用对象（Lambda表达式），并根据用户输入的运算符来动态切换封装的可调用对象，实现了一个简单的计算器程序。

下面是另一个示例，使用function来封装一个回调函数：

#include <functional>
#include <iostream>

void call_when_even(int x, const std::function<void(int)>& f) {
    if (!(x % 2)) {
        f(x);
    }
}

void print(int x) {
    std::cout << x << " is even" << std::endl;
}

void print_sum(int x, int y) {
    std::cout << "The sum of " << x << " and " << y << " is " << x + y << std::endl;
}

int main() {
    call_when_even(7, print);           // 无输出
    call_when_even(8, print);           // 输出：8 is even

    std::function<void(int)> f1 = print;
    std::function<void(int)> f2 = [](int x) { std::cout << x << " is odd" << std::endl; };

    call_when_even(10, f1);             // 输出：10 is even
    call_when_even(11, f2);             // 无输出

    std::function<void(int, int)> f3 = print_sum;
    f3(3, 4);                           // 输出：The sum of 3 and 4 is 7

    return 0;
}

在上面的示例中，我们用function封装了两个可调用对象，并将它们作为回调函数来传递给call_when_even函数，如果x是偶数，就调用传递的函数来输出信息。这个示例展示了function的另一个应用场景——回调函数。