Callables
许多基础库都要求调用方传递一个可调用的实体（entity）。例如：一个描述如何排序的函数、一个如何hash的函数。一般用callback来描述这种用法。在C++中有以下几种形式可以实现callback，它们都可以被当做函数参数传递并可以直接使用类似f(...)的方式调用：
- 指向函数的指针。
- 重载了
operator()的类（有时被叫做functors），包括lambdas. - 包含一个可以生成函数指针或者函数引用的转换函数的类。
C++使用callable type来描述上面这些类型。比如，一个可以被调用的对象称作callable object，我们使用callback来简化这个称呼。
编写泛型代码会因为这个用法的存在而可扩展很多。
函数对象 Function Objects
例如一个for_each的实现：
template <typename Iter, typename Callable>
void foreach (Iter current, Iter end, Callable op) {
while (current != end) { // as long as not reached the end
op(*current); // call passed operator for current element
++current; // and move iterator to next element
}
}
使用不同的Function Objects来调用这个模板：
// a function to call:
void func(int i) { std::cout << "func() called for: " << i << '
'; }
// a function object type (for objects that can be used as functions):
class FuncObj {
public:
void operator()(int i) const { // Note: const member function
std::cout << "FuncObj::op() called for: " << i << '
';
}
};
int main(int argc, const char **argv) {
std::vector<int> primes = {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19};
foreach (primes.begin(), primes.end(), func); // range function as callable (decays to pointer)
foreach (primes.begin(), primes.end(), &func); // range function pointer as callable
foreach (primes.begin(), primes.end(), FuncObj()); // range function object as callable
foreach (primes.begin(), primes.end(), // range lambda as callable
[](int i) {
std::cout << "lambda called for: " << i << '
';
});
return 0;
}
解释一下：
foreach (primes.begin(), primes.end(), func);按照值传递时，传递函数会decay为一个函数指针。foreach (primes.begin(), primes.end(), &func);这个比较直接，直接传递了一个函数指针。foreach (primes.begin(), primes.end(), FuncObj());这个是上面说过的functor，一个重载了operator()的类。所以，当调用op(*current);时，实际是在调用op.operator()(*current);. ps. 如果不加函数声明后面的const，在某些编译器中可能会报错。- Lambda ： 这个和前面情况一样，不解释了。
处理成员函数及额外的参数
上面没有提到一个场景 ： 成员函数。因为调用非静态成员函数的方式是object.memfunc(. . . )或ptr->memfunc(. . . )，不是统一的function-object(. . . )。
std::invoke<>()
幸运的是，从C++17起，C++提供了std::invoke<>()来统一所有的callback形式：
template <typename Iter, typename Callable, typename... Args>
void foreach (Iter current, Iter end, Callable op, Args const &... args) {
while (current != end) { // as long as not reached the end of the elements
std::invoke(op, // call passed callable with
args..., // any additional args
*current); // and the current element
++current;
}
}
那么，std::invoke<>()是怎么统一所有callback形式的呢？
注意，我们在foreach中添加了第三个参数：Args const &... args. invoke是这么处理的：
- 如果Callable是指向成员函数的指针，它会使用args的第一个参数作为类的this。args中剩余的参数被传递给Callable。
- 否则，所有args被传递给Callable。
使用：
// a class with a member function that shall be called
class MyClass {
public:
void memfunc(int i) const {
std::cout << "MyClass::memfunc() called for: " << i << '
';
}
};
int main() {
std::vector<int> primes = {2, 3, 5, 7, 11, 13, 17, 19};
// pass lambda as callable and an additional argument:
foreach (
primes.begin(), primes.end(), // elements for 2nd arg of lambda
[](std::string const &prefix, int i) { // lambda to call
std::cout << prefix << i << '
';
},
"- value: "); // 1st arg of lambda
// call obj.memfunc() for/with each elements in primes passed as argument
MyClass obj;
foreach (primes.begin(), primes.end(), // elements used as args
&MyClass::memfunc, // member function to call
obj); // object to call memfunc() for
}
注意在callback是成员函数的情况下，是如何调用foreach的。
统一包装
std::invoke()的一个场景用法是：包装一个函数调用，这个函数可以用来记录函数调用日志、测量时间等。
#include <utility> // for std::invoke()
#include <functional> // for std::forward()
template<typename Callable, typename... Args>
decltype(auto) call(Callable&& op, Args&&... args) {
return std::invoke(std::forward<Callable>(op), std::forward<Args>(args)...); // passed callable with any additional args
}
一个需要考虑的事情是，如何处理op的返回值并返回给调用者：
template<typename Callable, typename... Args>
decltype(auto) call(Callable&& op, Args&&... args)
这里使用decltype(auto)（从C++14起）（decltype(auto)的用法可以看之前的文章 : c++11-17 模板核心知识（九）—— 理解decltype与decltype(auto)）
如果想对返回值做处理，可以声明返回值为decltype(auto)：
decltype(auto) ret{std::invoke(std::forward<Callable>(op), std::forward<Args>(args)...)};
...
return ret;
但是有个问题，使用decltype(auto)声明变量，值不允许为void，可以针对void和非void分别进行处理：
#include <functional> // for std::forward()
#include <type_traits> // for std::is_same<> and invoke_result<>
#include <utility> // for std::invoke()
template <typename Callable, typename... Args>
decltype(auto) call(Callable &&op, Args &&... args) {
if constexpr (std::is_same_v<std::invoke_result_t<Callable, Args...>, void>) {
// return type is void:
std::invoke(std::forward<Callable>(op), std::forward<Args>(args)...);
...
return;
} else {
// return type is not void:
decltype(auto) ret{
std::invoke(std::forward<Callable>(op), std::forward<Args>(args)...)};
...
return ret;
}
}
std::invoke_result<>只有从C++17起才能使用，C++17之前只能用typename std::result_of<Callable(Args...)>::type.
泛型库的其他基本技术
Type Traits
这个技术很多人应该很熟悉，这里不细说了。
#include <type_traits>
template <typename T>
class C {
// ensure that T is not void (ignoring const or volatile):
static_assert(!std::is_same_v<std::remove_cv_t<T>, void>,
"invalid instantiation of class C for void type");
public:
template <typename V> void f(V &&v) {
if constexpr (std::is_reference_v<T>) {
... // special code if T is a reference type
}
if constexpr (std::is_convertible_v<std::decay_t<V>, T>) {
... // special code if V is convertible to T
}
if constexpr (std::has_virtual_destructor_v<V>) {
... // special code if V has virtual destructor
}
}
};
这里，我们使用type_traits来进行不同的实现。
std::addressof()
可以使用std::addressof<>()获取对象或者函数真实的地址， 即使它重载了operator &. 不过这种情况不是很常见。当你想获取任意类型的真实地址时，推荐使用std::addressof<>()：
template<typename T>
void f (T&& x) {
auto p = &x; // might fail with overloaded operator &
auto q = std::addressof(x); // works even with overloaded operator &
...
}
比如在STL vector中，当vector需要扩容时，迁移新旧vector元素的代码：
{
for (; __first != __last; ++__first, (void)++__cur) std::_Construct(std::__addressof(*__cur), *__first);
return __cur;
}
template <typename _T1, typename... _Args>
inline void _Construct(_T1 *__p, _Args &&... __args) {
::new (static_cast<void *>(__p)) _T1(std::forward<_Args>(__args)...); //实际copy(或者move)元素
}
这里使用std::addressof()获取新vector当前元素的地址，然后进行copy(或move)。可以看之前写的c++ 从vector扩容看noexcept应用场景
std::declval
std::declval可以被视为某一特定类型对象引用的占位符。它不会创建对象，常常和decltype和sizeof搭配使用。因此，在不创建对象的情况下，可以假设有相应类型的可用对象，即使该类型没有默认构造函数或该类型不可以创建对象。
注意，declval只能在unevaluated contexts中使用。
一个简单的例子：
class Foo; //forward declaration
Foo f(int); //ok. Foo is still incomplete
using f_result = decltype(f(11)); //f_result is Foo
现在如果我想获取使用int调用f()后返回的类型是什么？是decltype(f(11))？看起来怪怪的，使用declval看起来就很明了：
decltype(f(std::declval<int>()))
还有就是之前c++11-17 模板核心知识（一）—— 函数模板中的例子)——返回多个模板参数的公共类型：
template <typename T1, typename T2,
typename RT = std::decay_t<decltype(true ? std::declval<T1>()
: std::declval<T2>())>>
RT max(T1 a, T2 b) {
return b < a ? a : b;
}
这里在为了避免在?:中不得不去调用T1 和T2 的构造函数去创建对象，我们使用declval来避免创建对象，而且还可以达到目的。ps. 别忘了使用std::decay_t，因为declval返回的是一个rvalue references. 如果不用的话，max(1,2)会返回int&&.
最后看下官网的例子：
#include <utility>
#include <iostream>
struct Default { int foo() const { return 1; } };
struct NonDefault
{
NonDefault() = delete;
int foo() const { return 1; }
};
int main()
{
decltype(Default().foo()) n1 = 1; // type of n1 is int
// decltype(NonDefault().foo()) n2 = n1; // error: no default constructor
decltype(std::declval<NonDefault>().foo()) n2 = n1; // type of n2 is int
std::cout << "n1 = " << n1 << '
'
<< "n2 = " << n2 << '
';
}
完美转发 Perfect Forwarding
template<typename T>
void f (T&& t) // t is forwarding reference {
g(std::forward<T>(t)); // perfectly forward passed argument t to g()
}
或者转发临时变量，避免无关的拷贝开销：
template<typename T>
void foo(T x) {
auto&& val = get(x);
...
// perfectly forward the return value of get() to set():
set(std::forward<decltype(val)>(val));
}
作为模板参数的引用
template<typename T>
void tmplParamIsReference(T) {
std::cout << "T is reference: " << std::is_reference_v<T> << '
';
}
int main() {
std::cout << std::boolalpha;
int i;
int& r = i;
tmplParamIsReference(i); // false
tmplParamIsReference(r); // false
tmplParamIsReference<int&>(i); // true
tmplParamIsReference<int&>(r); // true
}
这点也不太常见，在前面的文章c++11-17 模板核心知识（七）—— 模板参数 按值传递 vs 按引用传递提到过一次。这个会改变强制改变模板的行为，即使模板的设计者一开始不想这么设计。
我没怎么见过这种用法，而且这种用法有的时候会有坑，大家了解一下就行。
可以使用static_assert禁止这种用法：
template<typename T>
class optional {
static_assert(!std::is_reference<T>::value, "Invalid instantiation of optional<T> for references");
…
};
延迟计算 Defer Evaluations
首先引入一个概念：incomplete types. 类型可以是complete或者incomplete，incomplete types包含：
- 类只声明没有定义。
- 数组没有定义大小。
- 数组包含incomplete types。
- void
- 枚举类型的underlying type或者枚举类型的值没有定义。
可以理解incomplete types为只是定义了一个标识符但是没有定义大小。例如：
class C; // C is an incomplete type
C const* cp; // cp is a pointer to an incomplete type
extern C elems[10]; // elems has an incomplete type
extern int arr[]; // arr has an incomplete type
...
class C { }; // C now is a complete type (and therefore cpand elems no longer refer to an incomplete type)
int arr[10]; // arr now has a complete type
现在回到Defer Evaluations的主题上。考虑如下类模板：
template<typename T>
class Cont {
private:
T* elems;
public:
...
};
现在这个类可以使用incomplete type，这在某些场景下很重要，例如链表节点的简单实现：
struct Node {
std::string value;
Cont<Node> next; // only possible if Cont accepts incomplete types
};
但是，一旦使用一些type_traits，类就不再接受incomplete type：
template <typename T>
class Cont {
private:
T *elems;
public:
...
typename std::conditional<std::is_move_constructible<T>::value, T &&, T &>::type
foo();
};
std::conditional也是一个type_traits，这里的意思是：根据T是否支持移动语义，来决定foo()返回T &&还是T &.
但是问题在于，std::is_move_constructible需要它的参数是一个complete type. 所以，之前的struct Node这种声明会失败（不是所有的编译器都会失败。其实这里我理解不应该报错，因为按照类模板实例化的规则，成员函数只有用到的时候才进行实例化）。
我们可以使用Defer Evaluations来解决这个问题：
template <typename T>
class Cont {
private:
T *elems;
public:
...
template<typename D = T>
typename std::conditional<std::is_move_constructible<T>::value, T &&, T &>::type
foo();
};
这样，编译器就会直到foo()被complete type的Node调用时才实例化。
（完）
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