std::function的简易实现

小喻同学i

已于 2025-05-16 17:06:15 修改

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分类专栏：模板入门文章标签： c++ 开发语言

于 2025-01-26 16:26:44 首次发布

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本节我们来实现一个简易的`std::function`

我们知道std::function是用来包装可调用对象的，在C++中，可调用对象包括 普通函数、lambda表达式、重载了()操作符的类对象、类静态函数、类成员函数这几类。

C++程序的编译顺序：预处理(xxx.i) 编译(xxx.s) 汇编(xxx.obj) 链接(xxx.exe / linux可执行文件)；
模板类(函数)的实例化，是在预处理之后，编译之前；所以模板并不是真正可执行的C++代码，应该将它理解成一个模具,我们使用什么样的材料(模板参数)，就会生成什么样的代码；

1.模板函数的模板参数是可以使用编译器自动推导，而模板类的模板参数，却需要显示指定，无法使用自动推导(C++17之后可推导)
使用模板函数自动推导模板参数的前提是: 模板函数中的函数参数，必须要和模板参数有一定的联系，才能利用函数参数的类型，推导出模板参数的类型

2.模板类(函数)的模板参数，其实只是一个类型占位符；我们可以赋予这个占位符任何意义，模板类(函数)的实现也是基于这个我们赋予的意义来进行编写的；所以在使用模板类(函数)时，只要传入的模板参数能满足我们赋予的意义，这个模板类(函数)就能正常运行**

首先回顾一下 std::function的使用，举个比较简单的例子：

	int func(int x, int y) {
    return x + y; }
	std::function<int, (int, int)> f1(func);		//使用1
	std::function<int, (int, int)> f2([int x, int y](){
    return x + y; });	//使用2

	class Test
	{
   
		int memFunc(int x, int y) {
    return x + y; }
	}
	Test t;
	std::function<int, (int, int)> f2(&Test::memFunc, &t);		//使用3

可以看到，我们给std::function传递模板参数时，模板参数的形式为 ReturnType (Params...)
观察使用1 使用2可以发现，构造函数的参数为一个可以被执行的函数(1中为普通函数，2中为lambda表达式)，所以我们这里可以将构造函数写成一个模板函数，我们传递一个可执行的函数进来，无论是普通函数还是lambda表达式，模板参数类型交给编译器去推导就行了

结合我们以上发现的特点，最容易想到形式是：
模板参数类型为 返回值类型 参数包，构造函数为模板函数，构造函数参数为一个可执行的函数；然后重载 ()操作符，将参数包转发到构造函数传递的可调用函数中去，执行一下该函数即可；

//代码段1
template <typename Ret, typename... Args>
struct myfunction<Ret(Args...)>
{
   
    template <typename Functor>
    myfunction(Functor&& func)
    {
   
    	// 将 func 存储到 m_func 中, 
    	// m_func(std::forward<Functor>(func));
    }

    Ret operator()(Args&&... args)
    {
   
    	//调用 m_func 即可
//        return m_func(std::forward<Args>(args)...);
    }
};

这里其实存在一个问题，那就是我们其实并没有这个m_func成员变量；这个成员变量的类型应该是和构造函数的模板参数一个类型(Functor类型)，但是这个Functor只对构造函数可见，所以我们没办法定义一个 Functor m_func;的成员变量；

那怎么解决？

观察我们上面的伪代码可以发现，将 Functor模板参数从构造函数的模板参数，移动到类模板参数中, 这样就扩大了模板参数的可见范围，则可以在类中定义Functor类型的成员变量；那么自然构造函数就不再是模板函数

//代码段2
template <typename Functor, typename Ret, typename... Args>
struct myfunction
{
   
   myfunction(Functor&& func)
   {
   
       m_func(std::forward<Functor>(func));
   }

   Ret operator()(Args&&... args)
   {
   
       return m_func(std::forward<Args>(args)...);
   }
   Functor m_func;
};

这样做固然可以，但是使用时我们是不是得传递这个模板类的模板参数，还是使用以上的例子，我们现在必须得这样使用这个模板类 myfunction<decltype(func), int (int,int)> f;，其中第一个模板参数Functor, 需要我们自己显示指定；这显然会加大使用负担，且与std::function<int (int, int)>的形式不符；

结合以上的思考，将第一个模板参数Functor放到构造函数中去，由编译器进行推导，而不是定义myfunction时显示指定类型，这是比较合理的，也更符合使用习惯；所以我们还是要在代码段1的基础上进行改进；

那么现在问题变成了: 怎样才能让代码段1支持存储Functor类型的成员变量呢?

有了以上的思考，我们知道，将模板参数的作用域从函数提升到类中，就可以扩大可见性
我们可以构造一个辅助类，将构造函数的模板参数变成辅助类的类模板参数，这样就可以将辅助类的类模板参数存储在辅助类中，然后想办法在myfunction中存储辅助类的指针或对象，在myfunction重载的()中调用存储在辅助类中的可调用函数，思考后代码如下：

template <typename Ret, typename... Args>
struct myfunction
{
   
    template <typename Functor>
    myfunction(Functor&& func)		//希望此处使用编译器自动推导，将Functor类型存储在 CallAble模板类中
    {
   
        m_pCallAble = new CallAble<Functor>(std::forward<Functor>(func));
    }

    Ret operator()(Args&&... args)
    {
   
        if (m_pCallAble != nullptr