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C++17之std::invoke: 使用和原理探究(全)
目录
1.简介
2.Callable 类型
3.可作为参数的标准库
4.一些典型的 Callable 类型
4.1.函数对象 Function Object
4.2.函数
4.3.函数指针
4.4.Lambda 匿名函数(调用对象)
4.5.函数适配器
4.6.std::function
1.简介
自从在使用 std::thread 构造函数过程中遇到了 Callable 类型的概念以来用到了很多关于它的使用。因此本文把使用/调查结果总结出来，包括 Callable 的基础概念，典型的 Callable 类型介绍。例如仿函数，函数指针， lambda 匿名函数，函数适配器, std::function 等。
2.Callable 类型
定义(参考):可调用(Callable) 类型是可应用 INVOKE 操作(std::invoke 是在 C++17 里定义的类, 感觉意思就是执行函数操作的模板类.)
要求:一个 T 类型要满足为 callable 需要以下表达式在不求值语境中良构.INVOKE<R>(f, [std::declval]ArgTypes>()...) 即 INVOKE<R>(f, t1, t2, ..., tN).其中 f 为 T 类型的对象, ArgTypes 为适合的实参类型列表, R 为适合的返回类型.R为 void 的时可以表示为 static_cast<void>(INVOKE(f, t1, t2, ..., tN)).
详细地：
1. 若 f 是类 T 的成员函数指针: 上面等价于 (t1.*f)(t2, ..., tN) 或者 t1 是指针时 ((*t1).*f)(t2, ..., tN).
2. 若 N == 1 且 f 是类 T 的数据成员指针: INVOKE(f, t1) 等价于 t1.*f, 或者指针形式 (*t1).*f.
3. 均不满足上面的情况表明 f 是一个函数对象(Function Object) : INVOKE(f, t1, t2, ..., tN) 等价于 f(t1, t2, ..., tN).
同时, 对于成员函数指针和数据成员指针, t1 可以是一个常规指针或一个重载了 operator* 的类的对象, 例如智能指针 std::unique_ptr 或 std::shared_ptr。
3.可作为参数的标准库
下列标准库设施接受任何可调用(Callable)类型:
| 库 | 说明 |
|---|---|
| function(C++11) | 包装具有指定函数调用签名的任意_可复制构造类型_的可调用对象 (类模板) |
| bind(C++11) | 绑定一或多个实参到函数对象 (函数模板) |
| reference_wrapper(C++11) | 可复制构造 (CopyConstructible)且可复制赋值 (CopyAssignable)的引用包装器 (类模板) |
| result_of (C++11)(C++20 中移除) invoke_result(C++17) | 推导以一组实参调用一个可调用对象的结果类型 (类模板) |
| thread (构造函数) | 构造新的 thread 对象 (std::thread 的公开成员函数) |
| call_once(C++11) | 仅调用函数一次, 即使从多个线程调用 (函数模板) |
| async(C++11) | 异步运行一个函数(有可能在新线程中执行),并返回保有其结果的 std::future(函数模板) |
| packaged_task(C++11) | 打包一个函数, 存储其返回值以进行异步获取 (类模板) |
4.一些典型的 Callable 类型
4.1.仿函数 Function Object
一个重载了括号操作符()的对象, 也就是可以以f(args)形式进行函数调用的对象。
#include<iostream>#include<cstdlib>using namespace std;class Add {public: const int operator()(const int a,const int b){ return a+b;}};int main() { Add addFunction; //函数对象 cout<<addFunction(2, 3)<<endl;// 5 system("pause"); return 0;}我的第一印象是它跟函数指针有什么区别? 就像是个函数执行包装器, 一个对象型的函数指针?
但是函数对象本质上还是一个 class 的具体化 object, 里面是可以附带一些成员变量(可以理解为函数对象的状态(state))的, 这就让函数对象的应用场景比函数指针更广阔. 最典型的便是 STL 里了. C++ 的 STL 中的众多 algorithm, 非常依赖于函数对象处理容器的元素. 想按照 STL 算法里的要求实现其功能要提供一些函数对象作为参数, 即谓词参数(predicate). 例如对于 find_if 算法.
class NoLess{public: NoLess(int min = 0):m_min(min){} bool operator() (int value) const{ return value >= m_min;}private: int m_min;};find_if(dest.begin(),dest.end(),NoLess(10)); //dest容器里找是否存在不小于10的元素对于普通函数来说, 只要签名一致, 其类型就是相同的, 是类型不安全的. 但是这并不适用于函数对象, 因为函数对象的类型是其类的类型. 这样, 函数对象有自己的类型, 这也意味着函数对象可以用于模板参数, 这对泛型编程有很大提升. 因为函数对象一般用于模板参数, 模板一般会在编译时会做一些优化. 因此函数对象一般快于普通函数. 类也可以在使用的时候动态再产生, 节省成本.
既然是类, 那就有它的限制, 例如要注意, 如同其他所有对象(狭义上的对象, 我感觉内置类型其实也可以被叫对象, 按场景区分吧)一样, 如果 pass-by-value 的化, 对象里的成员变量是被复制进去的, 一旦对象被析构了, 里面的成员变量也是无法保存下来的. 所以可以 pass-by-reference/pointer.
函数指针并不是没有其用处了, 对于 C API 库里的某些函数不支持函数对象还是有用武之地的. 例如 <cstdlib> 里面的排序函数 qsort 只能调用函数指针.
void qsort( void *ptr, size_t count, size_t size,int (*comp)(const void *, const void *) );4.2.函数
除了普通的函数, 当然也包括类成员函数。
这里不提及模板函数，因为模板函数的概念只存在于编译期， 运行期的函数没有模板的概念， 都是经过完全特化过的, 因此与普通函数/类成员函数的概念是一致的。
4.3.函数指针
#include<iostream>#include<cstdlib>using namespace std;int AddFunc(int a, int b) { return a + b;} int main() { int (*Add1) (int a, int b); //函数指针,函数名两侧的()不可省略 int (*Add2) (int a, int b); Add1 = &AddFunc; Add2 = AddFunc; cout << (*Add1) (3, 2)<<endl; cout<<Add1(3, 2)<<endl; //输出可以加*,也可以不加 system("pause"); return 0; }4.4.Lambda 匿名函数(调用对象)
好处是就地定义使用, 简洁, 易维护.
完整声明:
[capture list] (params list) mutable exception-> return type { function body }各项具体含义如下
capture list: 捕获外部变量列表.
params list: 形参列表.
mutable指示符: 用来说用是否可以修改捕获的变量, 因为lambda的() operator() 默认是 const 的.
exception: 异常设定.
return type: 返回类型, 允许省略 lambda 表达式的返回值定义.
function body: 函数体.
捕获形式:
| 捕获形式 | 说明 |
|---|---|
| [] | 不捕获任何外部变量 |
| [变量名, …] | 默认以值得形式捕获指定的多个外部变量(用逗号分隔), 如果引用捕获, 需要显示声明(使用 & 说明符) |
| [this] | 以值的形式捕获 this 指针 |
| [=] | 以值的形式捕获所有外部变量 |
| [&] | 以引用形式捕获所有外部变量 |
| [=, &x] | 变量x以引用形式捕获,其余变量以传值形式捕获 |
| [&, x] | 变量x以值的形式捕获,其余变量以引用形式捕获 |
省略其中的某些成分来声明”不完整”的Lambda表达式:
| 序号 | 格式 |
|---|---|
| 1 | [capture list] (params list) -> return type {function body} |
| 2 | [capture list] (params list) {function body} |
| 3 | [capture list] {function body} |
一些关于 lambda 表达式的细节
1. 延迟调用
按值捕获与按引用捕获的区别.
int a = 0;auto f = [=]{ return a; }; // 按值捕获外部变量a += 1; // a被修改了std::cout << f() << std::endl; // 输出依旧为0,如果想要跟着被改变需要使用引用捕获2. lambda 表达式转换成函数指针没有捕获变量的 lambda 表达式可以直接转换为函数指针, 而捕获变量的 lambda 表达式则不能转换为函数指针.
typedef void(*Ptr)(int*);Ptr p = [](int* p){delete p;}; // 正确, 没有状态的 lambda (没有捕获)的lambda表达式可以直接转换为函数指针Ptr p1 = [&](int* p){delete p;}; // 错误, 有状态的 lambda 不能直接转换为函数指针3. 嵌套
int m = [](int x) { return [](int y) { return y * 2; }(x)+6; }(5); //164. 作为 STL 算法函数谓词参数:
std::vector<int> myvec{ 3, 2, 5, 7, 3, 2 };std::sort(myvec.begin(), myvec.end(), [](int a, int b) -> bool { return a < b; });C++14 中的 lambda 新特性
1. lambda 捕捉表达式/右值
// 利用表达式捕获,可以更灵活地处理作用域内的变量int x = 4;auto y = [&r = x, x = x + 1] { r += 2; return x * x; }();// 此时 x 更新为6,y 为25// 直接用字面值初始化变量auto z = [str = "string"]{ return str; }();// 此时z是const char* 类型,存储字符串 string//不能复制只能移动的对象,可以用std::move初始化变量auto myPi = std::make_unique<double>(3.1415);auto circle_area = [pi = std::move(myPi)](double r) { return *pi * r * r; };cout << circle_area(1.0) << endl; // 3.14152. 泛型 lambda 表达式:
auto add = [](auto x, auto y) { return x + y; };//推断类型int x = add(2, 3); // 5double y = add(2.5, 3.5); // 6.04.5.函数适配器
将函数对象与其它函数对象, 或者特定的值, 或者特定的函数相互组合的产物. 由于组合特性, 函数适配器可以满足特定的需求, 头文件 <functional> 定义了几种函数适配器:
std::bind(op, args...): 将函数对象 op 的参数绑定到特定的值 args.std::mem_fn(op): 将类的成员函数转化为一个函数对象.std::not1(op), std::not2(op),std::unary_negate,std::binary_negate: 一元取反器和二元取反器.
std::bind
这里的函数对象就包括了上面所有的类型, 当然也包含自己, 因此可以利用 std::bind 封装出很多有意思的功能.
1) 嵌套
auto plus10times2 = std::bind(std::multiplies<int>{}, std::bind(std::plus<int>{}, std::placeholders::_1, 10), 2);cout << plus10times2(4) << endl; // 输出: 28 // 定义3次方函数对象auto pow3 = std::bind(std::multiplies<int>{}, std::bind(std::multiplies<int>{}, std::placeholders::_1, std::placeholders::_1), std::placeholders::_1);cout << pow3(3) << endl; // 输出: 272) 调用类中的成员函数
class Person{public: Person(const string& n) : name{ n } {} void print() const { cout << name << endl; } void print2(const string& prefix) { cout << prefix << name << endl; }private: string name;};int main(){ vector<Person> p{ Person{"Tick"}, Person{"Trick"} }; // 调用成员函数print std::for_each(p.begin(), p.end(), std::bind(&Person::print, std::placeholders::_1)); // 此处的std::placeholders::_1表示要调用的Person对象,所以相当于调用arg1.print() // 输出: Tick Trick std::for_each(p.begin(), p.end(), std::bind(&Person::print2, std::placeholders::_1, "Person: ")); // 此处的std::placeholders::_1表示要调用的Person对象,所以相当于调用arg1.print2("Person: ") // 输出: Person: Tick Person: Trick return 0;}3) 调用 lambda 表达式
vector<int> data{ 1, 2, 3, 4 };auto func = std::bind([](const vector<int>& data) { cout << data.size() << endl; }, std::move(data));func(); // 4cout << data.size() << endl; // 04) 调用范围内函数
char myToupper(char c){ if (c >= 'a' && c <= 'z') return static_cast<char>(c - 'a' + 'A'); return c;}int main(){ string s{ "Internationalization" }; string sub{ "Nation" }; auto pos = std::search(s.begin(), s.end(), sub.begin(), sub.end(), std::bind(std::equal_to<char>{}, std::bind(myToupper, std::placeholders::_1), std::bind(myToupper, std::placeholders::_2))); if (pos != s.end()){ cout << sub << " is part of " << s << endl; } // 输出: Nation is part of Internationalization return 0;}5) 默认 pass-by-value, 如果想要 pass-by-reference, 需要用 std::ref 和 std::cref 包装.std::cref 比 std::ref 增加 const 属性.
void f(int& n1, int& n2, const int& n3){ cout << "In function: " << n1 << ' ' << n2 << ' ' << n3 << '\n'; ++n1; ++n2; // ++n3; //无法编译}int main(){ int n1 = 1, n2 = 2, n3 = 3; auto boundf = std::bind(f, n1, std::ref(n2), std::cref(n3)); n1 = 10; n2 = 11; n3 = 12; cout << "Before function: " << n1 << ' ' << n2 << ' ' << n3 << '\n'; boundf(); cout << "After function: " << n1 << ' ' << n2 << ' ' << n3 << '\n'; // Before function : 10 11 12 // In function : 1 11 12 // After function : 10 12 12 return 0;}std::mem_fn
与 std::bind 相比, std::mem_fn 的范围又要小一些, 仅调用成员函数, 并且可以省略掉用于调用对象的占位符.
因此使用 std::men_fn 不需要绑定参数, 可以更方便地调用成员函数.
vector<Person> p{ Person{ "Tick" }, Person{ "Trick" } };std::for_each(p.begin(), p.end(), std::mem_fn(&Person::print));// 输出: Trick TrickPerson n{ "Bob" };std::mem_fn(&Person::print2)(n, "Person: ");// 输出: Person: Bobstd::mem_fn 还可以调用成员变量
class Foo{public: int data = 7; void display_greeting() { cout << "Hello, world.\n"; } void display_number(int i) { cout << "number: " << i << '\n'; } };int main(){ Foo f; // 调用成员函数 std::mem_fn(&Foo::display_greeting)(f); // Hello, world. std::mem_fn(&Foo::display_number)(f, 20); // number: 20 // 调用数据成员 cout << std::mem_fn(&Foo::data)(f) << endl; // 7 return 0;}std::not1 、std::not2、std::unary_negate、std::binary_negate
std::not1, std::not2 分别构造一个与谓词结果相反的一元/二元函数对象.std::unary_negate, std::binary_negate 分别返回其所保有的一元/二元谓词的逻辑补的包装函数对象, 其对象一般为 std::not1, std::not2 构造的函数对象,即又加了一层包装.
下面分别是其使用示例:
//std::not1#include <iostream>#include <vector>#include <functional>int main(int argc, char **argv) { std::vector<int> nums = {5, 3, 4, 9, 1, 7, 6, 2, 8}; std::function<bool(int)> less_than_5 = [](int x){ return x <= 5; }; // count numbers of integer that not less and equal than 5 std::cout << std::count_if(nums.begin(), nums.end(), std::not1(less_than_5)) << "\n"; //输出结果4 return 0;}//std::not2using namespace std;int main(int argc, char **argv) { std::vector<int> nums = {5, 3, 4, 9, 1, 7, 6, 2, 8}; std::function<bool(int, int)> ascendingOrder = [](int a, int b) { return a<b; }; // sort the nums in descending order: not ascending order std::sort(nums.begin(), nums.end(), std::not2(ascendingOrder)); for(int i:nums) { std::cout << i << "\t";} //输出结果: 9 8 7 6 5 4 3 2 1 return 0;}//std::unary_negate#include <algorithm>#include <functional>#include <iostream>#include <vector>struct less_than_7 : std::unary_function<int, bool>{ bool operator()(int i) const { return i < 7; }}; int main(){ std::vector<int> v; for (int i = 0; i < 10; ++i) v.push_back(i); std::unary_negate<less_than_7> not_less_than_7((less_than_7())); std::cout << std::count_if(v.begin(), v.end(), not_less_than_7); //输出8 9}//std::binary_negatestruct same : std::binary_function<int, int, bool>{ bool operator()(int a, int b) const { return a == b; }}; int main(){ std::vector<int> v1; std::vector<int> v2; for (int i = 0; i < 10; ++i) v1.push_back(i); for (int i = 0; i < 10; ++i) v2.push_back(10 - i); std::vector<bool> v3(v1.size()); std::binary_negate<same> not_same((same())); std::transform(v1.begin(), v1.end(), v2.begin(), v3.begin(), not_same); std::cout.setf(std::ios_base::boolalpha); for (int i = 0; i < 10; ++i) std::cout << v1[i] << ' ' << v2[i] << ' ' << v3[i] << ' ';//输出:0 10 true 1 9 true 2 8 true 3 7 true 4 6 true 5 5 false 6 4 true 7 3 true 8 2 true 9 1 true}std::not_fn
注意 C++17 已经把上面的 std::not1, std::not2, std::unary_negate 和 std::binary_negate 抛弃, 统一由 std::not_fn 替代.
//移除把满足谓词p的元素都copy到容器中template <typename T, typename Pred>auto FilterRemoveCopyIf(const std::vector<T>& vec, Pred p) { std::vector<T> out; std::remove_copy_if(begin(vec), end(vec), std::back_inserter(out), std::not_fn(p)); return out;}4.6.std::function
五花八门的 Callable, 个个都是人才, 但是不好带(不好实现 generic programming), 所以一个把所有 callable 对象封装成统一形式的类型模板. std::function 的实例可以对任何可以调用的目标实体进行存储, 复制, 和调用操作, 实现一种类型安全的包裹.
原型为:
template< class R, class... Args > //R是返回值类型,Args是函数的参数类型class function<R(Args...)>; 其存储的可调用对象被称为 std::function 的目标. 若 std::function 不含目标, 则称它为空. 调用空 std::function 的目标导致抛出 std::bad_function_call 异常. std::function 满足可复制构造 (Copy Constructible) 和可复制赋值 (Copy Assignable) (参考).瑞士军刀一般的功能, 代码例子如下:
#include <functional>#include <iostream> struct Foo { Foo(int num) : num_(num) {} void print_add(int i) const { std::cout << num_+i << '\n'; } int num_;}; void print_num(int i){ std::cout << i << '\n';} struct PrintNum { void operator()(int i) const { 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 lambda std::function<void()> f_display_42 = []() { print_num(42); }; f_display_42(); // 存储到 std::bind 调用的结果 std::function<void()> f_display_31337 = std::bind(print_num, 31337); f_display_31337(); // 存储到成员函数的调用 std::function<void(const Foo&, int)> f_add_display = &Foo::print_add; const Foo foo(314159); f_add_display(foo, 1); f_add_display(314159, 1); // 存储到数据成员访问器的调用 std::function<int(Foo const&)> f_num = &Foo::num_; std::cout << "num_: " << f_num(foo) << '\n'; // 存储到成员函数及对象的调用 using std::placeholders::_1; std::function<void(int)> f_add_display2 = std::bind( &Foo::print_add, foo, _1 ); f_add_display2(2); // 存储到成员函数和对象指针的调用 std::function<void(int)> f_add_display3 = std::bind( &Foo::print_add, &foo, _1 ); f_add_display3(3); // 存储到函数对象的调用 std::function<void(int)> f_display_obj = PrintNum(); f_display_obj(18); auto factorial = [](int n) { // 存储 lambda 对象以模拟"递归 lambda ",注意额外开销 std::function<int(int)> fac = [&](int n){ return (n < 2) ? 1 : n*fac(n-1); }; // note that "auto fac = [&](int n){...};" does not work in recursive calls return fac(n); }; for (int i{5}; i != 8; ++i) { std::cout << i << "! = " << factorial(i) << "; "; }}可能的输出
-94231337314160314160num_: 314159314161314162185! = 120; 6! = 720; 7! = 5040;回调函数
std::function 的应用之一: 结合 typedef 定义函数类型构造回调函数.
typedef std::function<void(std::string)> CallBack;Class MessageProcessor {private: CallBack callback_;public: MessageProcessor(Callback callback):callback_(callback){} void ProcessMessage(const std::string& msg) { callback_(msg); }};参考：
C++ 具名要求：可调用 (Callable) - cppreference.com