函数对象的四种写法，哪种更适合你？

1998年，C++98引入了operator()。两年后，BOOST发布了functional库，从而引入了function/bind等。又过了两年，BOOST发布了lambda库。到了2003年，C++98做了第一次修订，boost::function进入了C++标准，成为了std::tr1::function。8年后，在C++11中，lambda成为语法特性，function/bind等正式进入标准库。

一、函数对象的四种写法

1、C风格的函数指针

具体实现代码如下：

首先定义了一个函数指针类型typedef void (*Fn)();这个函数指针没有参数、没有返回值。在test(f)中，可以将f函数作为参数进行传递，f()函数没有参数，也没有返回值，满足Fn这个类型的定义。

但是C风格的函数指针存在两个问题，一个问题是性能，另一个问题是在数据绑定方面，这种写法不好用。数据绑定是指绑定某个特定的值到函数的某个特定的参数上，从而使高维的函数变成低维的函数。数据绑定的一个典型案例是线程池：对于线程池的作者来说，他希望用户传递给他无参数、无返回值的函数；对于用户来说，无参数、无返回值、无副作用的函数是没有用的，只能引入副作用。而无参数、无返回值、有副作用的方式只有一种实现方法——全局变量，但是全局变量是一个非常难使用的特性，往往会产生许多难以发觉的bug。因此产生了一种妥协的办法，如下图所示：

用户交给线程池两样东西：一个是函数指针，另一个是用户自定义的数据结构。由于线程池不知道也不关心这个数据结构，因此将其表示成了void*，用户在使用的时候，需要将void*转成实际的数据结构再去使用。

这种方法虽然可行，但却存在一个问题，即无法识别用户的数据类型，如上图中的bool类型传入f()函数，导致无法发挥C++强类型的优势。倘若用户交给pretendImAThreadPool的不是一个bool类型，就会导致程序运行失败。

2、operator()

由于上面的C风格的函数指针方法较为危险，在C++98的时候出现了operator()，解决了上面线程池场景中的问题，如下图所示：

在C++中，处理副作用的方式是使用对象来包装副作用。在类NullaryFn中，存在一个全局变量mDone，这个全局变量就是副作用。在使用的时候，先通过Fn fn声明一个对象，然后通过pretendToBeAThreadPool(fn)将其传给线程池。

这种方法解决了C风格函数指针中存在的一些问题，但它自身也存在两个问题：

（1）每个函数都需要创建一个新的类，导致语法上比较啰嗦。

（2）在语句virtual void operator()() = 0中引入了虚接口，然而对于一些第三方的类，没有这种声明这类接口，只能借助于代理对象的方法，即在每次使用时，都需要包装一个代理对象。

3、std::function

第三种写法是std::function。boost的老妖怪们将代理对象的使用抽象化，然后借助于模板技术，将代理对象的产生包裹在了bind()函数中，如下图所示：

可以看到，function< ReturnType (TypeOfArg0, TypeOfArg1, ...)>中，ReturnType 代表其返回值，(TypeOfArg0, TypeOfArg1, ...)代表其各个参数的类型，如下面的四个例子：

（1）function<void()>表示无参数、无返回值。

（2）function<string(int)>表示输入int类型的数据，返回一个字符串。

（3）function<int(int,int)>表示输入两个int类型的数据，返回一个int类型的数据。

（4）function<void(int&,const int&)>表示输入一个int&，一个const int&，无返回值。

前文中提到的bind(f, ref(done))，是将一个一元函数绑定到一个值上，然而在很多情况下，需要将高元函数绑定到多个值上，以达到降维的目的。例如下图中的例子：

其实除了_1外，还有_2，_3...，_9，但在使用的时候，一般不会超过_5。_1的实际含义是绑定后函数的第一个参数，_2即为绑定后函数的第二个参数。像上图中bind(minus_, _2, 1)的用法是会报错的，因为minus_()本身是一个二元函数，在绑定之后，值1被绑定到第二个参数上，这样在绑定之后的函数没有第二个参数，所以使用_2会报错。

此外还有一些特殊用法，如bind(minus_, _1, _1)将一个占位符绑定到两个参数上，这样在调用f1(2)时，实际上是minus_(2, 2)，返回值为2-2=0，这样将二元的函数变成了一个一元的函数。还有bind(minus_, _2, _1)可以达到交换两个参数位置的目的，在正常调用minus_(1, 2)时，输出1-2=-1，而在调用f2(1, 2)时，由于两个参数位置交换了，输出为2-1=1。

上面提及的都是绑定值类型，接下来看看绑定引用，如下图所示：

其中negate_()函数实现的功能很简单，即将第二个参数的相反数赋值给第一个参数。function<void(int)> f0 = bind(negate_, a, _1)，在调用f0(1)后，并没有将a的引用与函数的第一个参数绑定，而是将a的副本与其绑定，因此在输出的时候，a仍为初始值0,a的副本的值为-1。若想改变a的值，需要将a的引用与函数第一个参数绑定，即function<void(int)> f0 = bind(negate_, ref(a), _1)，此时便可将值1的相反数赋值给a，输出的a值即为-1。绑定const引用是个比绑定引用更坑的事情。绑定引用如果没有用ref，往往程序马上就出错了，一做测试马上能发现。但是const引用往往不会有逻辑上的错误，但是会引入不必要的对象复制。这种性能问题就很难在review代码的时候或者功能测试的时候发现。

除了普通函数外，成员函数也可以进行绑定，如下图所示：

上图中的negate()函数，参数列表中有一个隐藏的this指针，它实际上是一个二元函数。在使用function<void(int)> f = bind(&negation::negate, &a, _1)时，有两个需要注意的地方：

（1）在抽象函数名前必须添加取地址符，普通函数名前没有这个限制。

（2）在a对象前添加取地址符，对于negate()函数的this指针的参数，需要进行bind()。对于a对象，它的this值是它自己的地址，因此需要加一个取地址符。

4、Lambda expression

下图是Lambda表达式的一个完整例子：

一个完整的Lambda表达式共包含六部分：捕获、参数、可变性、异常、返回值类型和函数体。其中异常和返回值类型可以省略，编译器会自动做推导。

在编写函数体时，可能会使用到函数体外的代码块中的变量名或者变量值，这种时候就需要进行捕获。捕获大致可以分为以下几类：

（1）无需捕获

上图为最简单的情况，即该函数无需进行捕获（中括号内为空），函数体中的所有变量都已在参数列表中出现。

（2）值捕获

在捕获列表中直接写入变量名时，属于值捕获。如上图中，在f()函数体中，会产生一个x值的副本、y值的副本，虽然在程序的最后改变了x、y的值，但是f()的函数体中使用的是它们的副本，因此返回的值是-1。

在函数体中，可以对捕获到的值的副本进行改变，如下图所示：

在Lambda表达式中添加了可变性的声明后，便可对x、y值的副本进行更改。当然对x、y副本值的改变并不影响x、y自身的值，因此在最后输出的时候，x、y的值仍然是0和1。

（3）引用捕获

如果想在函数体中改变函数体外x、y变量的值，可以进行引用捕获。在[&x, &y]中捕获的分别是x的引用和y的引用，因此在函数体内对x、y的值进行修改的时候，实际上是修改的函数体外x、y的值。另外，f对象的生命周期必须短于x、y变量的生命周期，否则会出现悬空指针的错误。

当函数体中需要捕获环境中的很多变量时，可以使用默认值的形式进行捕获，如下图所示：

其中[=, &y]中的”=”代表默认使用值捕获的方式捕获上面的变量，”&y”代表的是个别需要采用引用捕获的变量。另外如果使用[&, x]，则代表默认使用引用捕获，而变量x是个例外，变量x采用值捕获。

除了捕获环境中变量名和变量值外，还可以对其进行运算，如下图所示：

图中将x的值赋给了a，将y的地址赋给了b。需要注意：在函数体中不能再使用x和y；y前面的’&’代表的是取地址，而不是引用捕获。

表达式捕获最常用的场景是移动环境中的对象到lambda对象内。这样函数对象的生命期就可以和其捕获的变量的生命期脱钩。捕获中的表达式在lambda表达式执行的时候执行。这和函数体内移动是不同的。函数体内的移动在执行lambda对象的时候执行。

二、传递函数对象的两种写法

在了解如何构造函数对象之后，还需要知道如何传递函数对象。目前可行的方法有两种：模板和传std::function对象。如下图所示：