實(shí)現(xiàn)functor - 增強(qiáng)型的函數(shù)指針

作者：Kevin Lynx

需求：

開發(fā)一種組件，用以包裝C函數(shù)、通常的函數(shù)對(duì)象、成員函數(shù)，使其對(duì)外保持一種一致的接口。我將最終的
組件稱為functor，這里的functor與loki中的functor以及boost中的function功能一致，同STL中的functor
在概念層次上可以說也是一樣的。那么，functor其實(shí)也可以進(jìn)一步傳進(jìn)其他functor構(gòu)成新的functor。

C++世界里還有一種組件，稱做bind(er)，例如STL中的binder1st、binder2nd，以及boost中的bind。所謂
的bind是將一些參數(shù)與函數(shù)之類的關(guān)聯(lián)起來，當(dāng)執(zhí)行該bind創(chuàng)建的對(duì)象時(shí)，庫會(huì)自動(dòng)將之前bind的參數(shù)傳
遞給bind創(chuàng)建的對(duì)象。bind創(chuàng)建出來的對(duì)象在某種程度上來說也是一種functor。

實(shí)現(xiàn)：

包裝C函數(shù)和函數(shù)對(duì)象的functor事實(shí)上是一致的，而實(shí)現(xiàn)包裝成員函數(shù)的functor則需要多傳入一個(gè)對(duì)象參數(shù)。
因此這里先討論包裝C函數(shù)和函數(shù)對(duì)象的functor。

包裝C函數(shù)：

思考下各種不同的C函數(shù)的共同點(diǎn)和不同點(diǎn)，共同點(diǎn)就是這些函數(shù)都有一個(gè)返回值，參數(shù)個(gè)數(shù)可能相同，可能
不同，參數(shù)類型可能相同可能不同?？紤]到模板對(duì)于類型的泛化特性，對(duì)于參數(shù)類型來說，可以輕松實(shí)現(xiàn)無
關(guān)性。而至于參數(shù)個(gè)數(shù)的泛化，則要復(fù)雜點(diǎn)。這里先考慮實(shí)現(xiàn)參數(shù)個(gè)數(shù)為1個(gè)的functor：

template <typename _R, typename _P1>
class functor
{
public:
 typedef _R (*func_type)( _P1 );
public:
 explicit functor( const func_type &func ) :
  _func( func )
 {
 }
 
 _R operator() ( _P1 p )
 {
  return _func( p );
 }

private:
 func_type _func;
};

要使用這個(gè)類模板，可以這樣：

functor<int, int> cmd( func ); // int func( int )
cmd( 1 );

這樣，functor這個(gè)類模板就可以保存所以只有一個(gè)參數(shù)返回值任意的函數(shù)。但是這里首要的問題是，這個(gè)
類模板無法保存具有相同類型的函數(shù)對(duì)象，例如函數(shù)對(duì)象：

struct Func
{
    int operator() ( int i )
    {
        return i;
    }
};

Func obj; 因?yàn)閛bj的類型事實(shí)上是Func，并不是一般的函數(shù)類型（例如 int (*)(int) ）。那么，這里就需要
將functor::func_type這個(gè)typedef泛化。

包裝函數(shù)對(duì)象：

要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，其實(shí)并不那么容易。一種比較直接的方法是我們把functor::func_type通過模板參數(shù)顯示地讓用戶配置，
例如：

template <typename _R, typename _P1, typename _FuncType>
class functor
{
public:
 typedef _FuncType func_type;
 //以下內(nèi)容相同

那么，現(xiàn)在就可以這樣使用functor：

functor<int, int, int(*)(int)> cmd( func );
cmd( 1 );
// 測(cè)試函數(shù)對(duì)象
Func obj;
functor<int, int, Func> cmd2( obj );
cmd2( 2 );

自動(dòng)推導(dǎo)類型：

但是，這種顯示指定functor保存的函數(shù)(函數(shù)對(duì)象)的類型顯然是不方便的。我希望functor可以自動(dòng)獲取我們要
保存的東西（C函數(shù)，函數(shù)對(duì)象，為方便起見，以下全部簡(jiǎn)稱為函數(shù)）的類型。而一個(gè)函數(shù)模板正可以做到這一點(diǎn)。
以下簡(jiǎn)寫很多思考過程，直接給出一個(gè)解決方案：

template <typename _R, typename _P1>
struct handler_base
{
 virtual _R operator() ( _P1 ) = 0;
};

template <typename _R, typename _P1, typename _FuncType>
class handler : public handler_base<_R, _P1>
{
public:
 typedef _FuncType func_type;
public:
 handler( const func_type &func ) :
   _func( func )
 {
 }

 _R operator() ( _P1 p )
 {
  return _func( p );
 }

public:
 func_type _func;
};

template <typename _R, typename _P1>
class functor
{
public:
 typedef handler_base<_R, _P1> handler_type ;
public:
 template <typename _FuncType>
 functor( _FuncType func ) :
  _handler( new handler<_R, _P1, _FuncType>( func ) )
 {
 }
 
 ~functor()
 {
  delete _handler;
 }

 _R operator() ( _P1 p )
 {
  return (*_handler)( p );
 }

private:
 handler_type *_handler;
};

代碼多了一倍，還增加了多態(tài)機(jī)制，使用了動(dòng)態(tài)內(nèi)存分配（這總會(huì)為我們?cè)黾勇闊赃@些，就是為了提供
給用戶一個(gè)方便一致的接口?，F(xiàn)在我們可以這樣使用functor：

functor<int, int> cmd1( func );
cmd1( 1 );

Func obj;
functor<int, int> cmd2( obj );
cmd2( 2 );

雖然目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了，可是看上去并不完美。礙眼的就是那個(gè)virtual，以及new/delete。不過因?yàn)檫@里離我的最終
目標(biāo)還很遠(yuǎn)，所以姑且不管這些。接下來要實(shí)現(xiàn)的是讓functor支持任意個(gè)參數(shù)（事實(shí)上任意個(gè)是不可能的）。

讓更多的類型加入進(jìn)來：

這里支持任意個(gè)參數(shù)似乎不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)镃++并不支持這樣的語法形式：

template <typename _R, >
class functor;

也就是說模板并不支持可變參數(shù)。（可變參數(shù)那是C里面的東西，C++本身就不鼓勵(lì)）

這里，最簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)方法就是定義各種functor，支持0個(gè)參數(shù)的functor，支持一個(gè)參數(shù)的functor（我們以上實(shí)現(xiàn)的），
支持兩個(gè)參數(shù)的functor，等等。相應(yīng)的，我們給每一個(gè)functor命名為functor0，functor1，functor2，。。。

這確實(shí)是一種樸實(shí)的解決方法，但同時(shí)看上去也確實(shí)很不優(yōu)雅。我們其實(shí)完全可以通過一種模板技術(shù)讓functor1這種
丑陋的命名方式消失，這就是模板偏特化(partial specialization)。

Loki中的魔法：

首先我們要讓functor這個(gè)頂層類可以看上去似乎支持可變長(zhǎng)度的模板參數(shù)。這個(gè)可以通過loki的TypeList實(shí)現(xiàn)。但是
我們這里并不會(huì)用到特別復(fù)雜的TypeList技術(shù)。所謂TypeList，大致上核心在于以下類型：

template <typename _T, typename _U>
struct type_list
{
 typedef _T head_type;
 typedef _U tail_type;
};

然后我們可以以一種遞歸的方式去容納任意長(zhǎng)度的類型列表（所謂type list）：
type_list<int, type_list<char, float> >
在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，我們通常會(huì)為每一個(gè)type list添加一個(gè)在loki中叫null_type的類型，就像C字符串末尾的'\0'一樣：
type_list<int, type_list<char, null_type> >
而null_type很簡(jiǎn)單，就是一個(gè)沒有任何東西的空類型：

struct null_type { };

為了更方便地產(chǎn)生type_list，我們按照loki中的做法，定義一系列的宏：

#define TYPE_LIST1( T1 ) type_list<T1, null_type>
#define TYPE_LIST2( T1, T2 ) type_list<T1, TYPE_LIST1( T2 )>
#define TYPE_LIST3( T1, T2, T3 ) type_list<T1, TYPE_LIST2( T2, T3 )>
/// etc

注：以上內(nèi)容基本和<C++設(shè)計(jì)新思維>部分內(nèi)容相同

講述了以上基本內(nèi)容（我希望你能理解），接下來我要闡述下我的目的。我會(huì)把新的functor定義成：

template <typename _R, typename _ParamList>
class functor;

如你所見，這和之前的functor本質(zhì)上是一樣的，我只不過改變了一個(gè)模板參數(shù)的名字（_ParamList）。現(xiàn)在當(dāng)我們使用
functor的時(shí)候，會(huì)這樣：

functor<void, void>
functor<int, TYPE_LIST1( char )>
functor<void, TYPE_LIST2( char, float )>

我們回頭看下之前創(chuàng)建的functor模塊的三個(gè)類是如何相互關(guān)聯(lián)的：functor提供給外部用戶接口，handler保存函數(shù)、回調(diào)
函數(shù)，handler_base則主要是提供給functor一個(gè)可以保存的類型（所以functor里保存的是functor_base）以及聲明各種接口。
為什么需要提供handler_base，而不直接保存handler？因?yàn)閔andler需要保存函數(shù)的類型_FuncType，而這個(gè)類型只能在functor構(gòu)造
函數(shù)里被提取出來。局限于這個(gè)原因，我加入了handler_base，并不得不加入了virtual，而為了滿足virtual的需要，我進(jìn)一步
不得不將handler方在堆棧上。

現(xiàn)在，我要實(shí)現(xiàn)通過functor不同的模板參數(shù)（主要在于_ParamList），產(chǎn)生不同的handler_base。關(guān)鍵在于我要產(chǎn)生各種不同的
handler_base！現(xiàn)在我省略很多思考過程，直接給出一種架構(gòu)：

template <typename _R, typename _ParamList>
struct handler_base;

template <typename _R>
struct handler_base<_R, void> : public handler_type_base<_R>
{
 virtual _R operator() ( void ) = 0;
};

template <typename _R, typename _P1>
struct handler_base<_R, TYPE_LIST1( _P1 )> : public handler_type_base<_R>
{
 typedef _P1 param1_type;

 virtual _R operator() ( _P1 ) = 0;
};

/// TODO：添加更多類型的偏特化版本

template <typename _R, typename _ParamList, typename _FuncType>
class handler : public handler_base<_R, _ParamList>
{
public:
 typedef _FuncType func_type;

 typedef handler_base<_R, _ParamList> base_type;
 typedef typename base_type::param1_type param1_type;
 /// TODO：更多的類型定義
public:
 handler( const func_type &func ) :
   _func( func )
 {
 }

    _R operator() ()
 {
  return _func();
 }

 _R operator() ( param1_type p )
 {
  return _func( p );
 }
 ///省略部分代碼
 
/// functor
template <typename _R, typename _ParamList>
class functor
{
public:
 typedef handler_base<_R, _ParamList> handler_type ;

 typedef typename handler_type::param1_type param1_type;
 typedef typename handler_type::param2_type param2_type;
 typedef typename handler_type::param3_type param3_type;
 /// TODO：更多類型
public:
 template <typename _FuncType>
 functor( _FuncType func ) :
  _handler( new handler<_R, _ParamList, _FuncType>( func ) )
 {
 }
 
 ~functor()
 {
  delete _handler;
 }

 _R operator() ()
 {
  return (*_handler)();
 }

 _R operator() ( param1_type p )
 {
  return (*_handler)( p );
 }
 ///省略部分代碼

 
現(xiàn)在，各種偏特化版本的handler_base，其實(shí)就相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了各種參數(shù)個(gè)數(shù)的functor，也就是functor0，functor1等。但是
現(xiàn)在有個(gè)很直接的問題，例如當(dāng)functor<void, int>定義了一個(gè)參數(shù)時(shí)，functor::handler_type里就沒有param2_type之類的
類型定義，使用的偏特化版本handler_base也沒有部分param之類的類型定義。這會(huì)引起編譯出錯(cuò)。為了解決這個(gè)辦法，我不得
不再引入一個(gè)用于類型定義的基類：

template <typename _R>
struct handler_type_base
{
 typedef _R result_type;
 typedef null_type param1_type;
 typedef null_type param2_type;
 typedef null_type param3_type;
 /// TODO：添加更多類型定義
};

然后各種偏特化handler_base版本從handler_type_base繼承：

template <typename _R, typename _P1, typename _P2>
struct handler_base<_R, TYPE_LIST2(_P1, _P2 )> : public handler_type_base<_R>
{
 typedef _P1 param1_type;
 typedef _P2 param2_type;

 virtual _R operator() ( _P1, _P2 ) = 0;
};

解決了這個(gè)編譯錯(cuò)誤問題，整個(gè)functor就基本實(shí)現(xiàn)了?，F(xiàn)在可以這樣使用functor：
沒有參數(shù)的函數(shù)： 

functor<void, void> cmd4( func3 );
cmd4();

兩個(gè)參數(shù)的函數(shù)：

functor<void, TYPE_LIST2( int, char)> cmd3( func2 );
cmd3( 3, 'a' );

我稍微提下編譯器大致的處理方法：當(dāng)functor<void, void> cmd4( func3 )時(shí)，functor::handler_type為handler_base<void, void>偏特
化版本。該版本定義了void operator()()函數(shù)。當(dāng)cmd4()時(shí)，就會(huì)調(diào)用到handler::operator()()函數(shù)。該函數(shù)回調(diào)func3函數(shù)，完成調(diào)用。

完結(jié)，將成員函數(shù)包含進(jìn)來：

 關(guān)于包裝成員函數(shù)，其實(shí)很簡(jiǎn)單，只是在調(diào)用時(shí)需要一個(gè)該類的對(duì)象而已。這里直接從handler_base派生：

 template <typename _R, typename _ParamList, typename _FuncType, typename _ObjType>
class mem_handler : public handler_base<_R, _ParamList>
{
public:
 typedef _FuncType func_type;
 typedef _ObjType obj_type;

 typedef handler_base<_R, _ParamList> base_type;
 typedef typename base_type::param1_type param1_type;
 typedef typename base_type::param2_type param2_type;
 typedef typename base_type::param3_type param3_type;

public:
 mem_handler( obj_type &obj, const func_type &func ) :
  _obj( obj ), _func( func )
 {
 }

 _R operator() ()
 {
  return (_obj.*_func)();
 }

 _R operator() ( param1_type p )
 {
  return (_obj.*_func)( p );
 }

 _R operator() ( param1_type p1, param2_type p2 )
 {
  return (_obj.*_func)( p1, p2 );
 }

private:
 obj_type &_obj;
 func_type _func;
};

在functor中加入另一個(gè)構(gòu)造函數(shù)：
 

template <typename _ObjType, typename _FuncType>
functor( _ObjType &obj, _FuncType func ) :
 _handler( new mem_handler<_R, _ParamList, _FuncType, _ObjType>( obj, func ) )
{
}

一切都很完美。使用時(shí)：

Test obj2; // Test是一個(gè)類
functor<void, TYPE_LIST1( int)> cmd5( obj2, &Test::display );
cmd5( 1 );

結(jié)束語：
雖然我們最終的目的實(shí)現(xiàn)了，但是這還是不夠完美。我們還要處理functor的拷貝行為，因?yàn)閒unctor天生就是被用來
四處拷貝的。一旦涉及到拷貝，我們就不得不小心翼翼地處理好functor中的那個(gè)被new出來的對(duì)象。作為一個(gè)C++程序員，
你應(yīng)該時(shí)刻警惕放在heap上的東西，建立對(duì)heap上的警覺感是很重要的。這里我不得不承認(rèn)在后期實(shí)現(xiàn)中，我直接搬了
loki中的很多方案。如果你不想讓這個(gè)functor看上去那么優(yōu)雅，那你完全可以寫出functor0，functor1之類的東西。

參考資料：
<C++ template>類模板的偏特化章節(jié)
<Modern C++ design>type list， functor章節(jié)
loki::functor源代碼
boost:;function源代碼
stl::bind1st源代碼
stl::ptr_fun相關(guān)源代碼