浅谈C++11的std::function源码解析

2024-08-01 18:04:26

1、源码准备

本文是基于gcc-4.9.0的源代码进行分析，std::function是C++11才加入标准的，所以低版本的gcc源码是没有std::function的，建议选择4.9.0或更新的版本去学习，不同版本的gcc源码差异应该不小，但是原理和设计思想的一样的。
源码下载地址：http://ftp.gnu.org/gnu/gcc

2、std::function简介

类模版std::function是一种通用的多态函数包装器。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，这些目标实体包括普通函数指针、类成员函数指针（第一个参数需要传入对应的this指针）、Lambda表达式或者某个类的实例（前提是这个类重载了()运算符）。std::function对象是对C++中现有的可调用实体的一种类型安全的包裹（我们知道像函数指针这类可调用实体，是类型不安全的）。

通常std::function是一个函数对象类，它包装其它任意的可调用实体，被包装的对象具有类型为T1,…,TN的N个参数，并且返回一个可转换到R类型的值。std::function使用模板转换构造函数接收被包装的函数对象；特别是，闭包类型可以隐式地转换为std::function。最简单的理解就是通过std::function对C++中各种可调用实体的封装，形成一个新的可调用的std::function对象，让我们不再纠结那么多的可调用实体之间如何进行方便高效的转换。

3、源码解析

3.1、std::function解析

std::function位于libstdc++-v3\include\std\functional中

template<typename _Res, typename... _ArgTypes>
class function<_Res(_ArgTypes...)> : public _Maybe_unary_or_binary_function<_Res, _ArgTypes...>, private _Function_base
{
    typedef _Res _Signature_type(_ArgTypes...);

    template<typename _Functor>
    using _Invoke = decltype(__callable_functor(std::declval<_Functor&>())(std::declval<_ArgTypes>()...) );

    template<typename _Functor>
    using _Callable = __check_func_return_type<_Invoke<_Functor>, _Res>;

    template<typename _Cond, typename _Tp>
    using _Requires = typename enable_if<_Cond::value, _Tp>::type;

public:
    typedef _Res result_type;

    function() noexcept
        :_Function_base()
    {
    }

    function(nullptr_t) noexcept
        :_Function_base()
    {
    }

    template<typename _Res, typename... _ArgTypes>
    function(const function& __x)
        :_Function_base()
    {
        if (static_cast<bool>(__x))
        {
            _M_invoker = __x._M_invoker;
            _M_manager = __x._M_manager;
            __x._M_manager(_M_functor, __x._M_functor, __clone_functor);
        }
    }

    function(function&& __x)
        :_Function_base()
    { __x.swap(*this); }

    template<typename _Functor, typename = _Requires<_Callable<_Functor>, void>>
    function(_Functor __f)
    {
        typedef _Function_handler<_Signature_type, _Functor> _My_handler;

        if (_My_handler::_M_not_empty_function(__f))
        {
            _My_handler::_M_init_functor(_M_functor, std::move(__f));
            _M_invoker = &_My_handler::_M_invoke;
            _M_manager = &_My_handler::_M_manager;
        }
    }

    function& operator=(const function& __x)
    {
        function(__x).swap(*this);
        return *this;
    }

    function& operator=(function&& __x)
    {
        function(std::move(__x)).swap(*this);
        return *this;
    }

    function& operator=(nullptr_t)
    {
        if (_M_manager)
        {
            _M_manager(_M_functor, _M_functor, __destroy_functor);
            _M_manager = 0;
            _M_invoker = 0;
        }
        return *this;
    }

    template<typename _Functor>
    _Requires<_Callable<_Functor>, function&> operator=(_Functor&& __f)
    {
        function(std::forward<_Functor>(__f)).swap(*this);
        return *this;
    }

    template<typename _Functor>
    function& operator=(reference_wrapper<_Functor> __f) noexcept
    {
        function(__f).swap(*this);
        return *this;
    }

    void swap(function& __x)
    {
        std::swap(_M_functor, __x._M_functor);
        std::swap(_M_manager, __x._M_manager);
        std::swap(_M_invoker, __x._M_invoker);
    }

     explicit operator bool() const noexcept
     { return !_M_empty(); }

    _Res operator()(_ArgTypes... __args) const;
    {
        if (_M_empty())
            __throw_bad_function_call();
        return _M_invoker(_M_functor, std::forward<_ArgTypes>(__args)...);
    }

private:
    typedef _Res (*_Invoker_type)(const _Any_data&, _ArgTypes...);
    _Invoker_type _M_invoker;

从源代码中可以看出以下几点信息：

该类是一个可变参模板类
该类继承于_Maybe_unary_or_binary_function（不分析）和_Function_base，类成员只有_M_invoker一个，从定义可以看出这是一个标准的函数指针
首先分析operator()方法，平时开发中std::function使用最多的肯定就是重载的括号运算符了，毕竟最终也是要把它当成类似于函数的形式来调用的。可以看到operator()函数里面调用了_M_invoker函数，并没有什么特殊的处理
既然_M_invoker能被调用，那就说明它肯定被初始化过了，从调用时传给他的参数来看，多了一个不知道是什么的参数_M_functor，所以我们可以猜测_M_invoker并不是直接指向std::function接管的可调用实体的，而是一个类似中间层的东西，在_M_invoker的实现里面才调用了我们需要执行的那个真实的可调用实体
只有构造函数function(_Functor __f)对_M_invoker进行了初始化，而使用的就是std::_Function_handler里的方法来初始化_M_invoker的，std::_Function_handler的实现在后面会讲到
还是看构造函数function(_Functor __f)，因为std::function的目的就是对我们传入的可调用实体进行包装，这里说的可调用实体可以是普通函数指针、类成员函数指针（第一个参数需要传入对应的this指针）、Lambda表达式以及某个类实例（前提是这个类重载了()运算符），而我们看到在std::function这个类里面并没有直接托管我们传入的可调用实体，而只是调用了_My_handler::_M_init_functor(_M_functor, std::move(__f))，推测是由_Function_base来托管可调用实体的

3.2、std::_Function_handler解析

std::_Function_handler位于libstdc++-v3\include\std\functional中

template<typename _Res, typename _Functor, typename... _ArgTypes>
class _Function_handler<_Res(_ArgTypes...), _Functor> : public _Function_base::_Base_manager<_Functor>
{
    typedef _Function_base::_Base_manager<_Functor> _Base;

public:
    static _Res _M_invoke(const _Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)
    {
        return (*_Base::_M_get_pointer(__functor))(std::forward<_ArgTypes>(__args)...);
    }
};

template<typename _Functor, typename... _ArgTypes>
class _Function_handler<void(_ArgTypes...), _Functor> : public _Function_base::_Base_manager<_Functor>
{
    typedef _Function_base::_Base_manager<_Functor> _Base;

public:
    static void _M_invoke(const _Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)
    {
        (*_Base::_M_get_pointer(__functor))(std::forward<_ArgTypes>(__args)...);
    }
};

template<typename _Res, typename _Functor, typename... _ArgTypes>
class _Function_handler<_Res(_ArgTypes...), reference_wrapper<_Functor> > : public _Function_base::_Ref_manager<_Functor>
{
    typedef _Function_base::_Ref_manager<_Functor> _Base;

public:
    static _Res _M_invoke(const _Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)
    {
        return __callable_functor(**_Base::_M_get_pointer(__functor))(std::forward<_ArgTypes>(__args)...);
    }
};

template<typename _Functor, typename... _ArgTypes>
class _Function_handler<void(_ArgTypes...), reference_wrapper<_Functor> > : public _Function_base::_Ref_manager<_Functor>
{
    typedef _Function_base::_Ref_manager<_Functor> _Base;

public:
    static void _M_invoke(const _Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)
    {
        __callable_functor(**_Base::_M_get_pointer(__functor))(std::forward<_ArgTypes>(__args)...);
    }
};

template<typename _Class, typename _Member, typename _Res, typename... _ArgTypes>
class _Function_handler<_Res(_ArgTypes...), _Member _Class::*> : public _Function_handler<void(_ArgTypes...), _Member _Class::*>
{
    typedef _Function_handler<void(_ArgTypes...), _Member _Class::*> _Base;

public:
    static _Res _M_invoke(const _Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)
    {
        return std::mem_fn(_Base::_M_get_pointer(__functor)->__value)(std::forward<_ArgTypes>(__args)...);
    }
};

template<typename _Class, typename _Member, typename... _ArgTypes>
class _Function_handler<void(_ArgTypes...), _Member _Class::*> : public _Function_base::_Base_manager<_Simple_type_wrapper< _Member _Class::* > >
{
    typedef _Member _Class::* _Functor;
    typedef _Simple_type_wrapper<_Functor> _Wrapper;
    typedef _Function_base::_Base_manager<_Wrapper> _Base;

public:
    static bool _M_manager(_Any_data& __dest, const _Any_data& __source, _Manager_operation __op)
    {
        switch (__op)
        {
            #ifdef __GXX_RTTI
            case __get_type_info:
                __dest._M_access<const type_info*>() = &typeid(_Functor);
                break;
            #endif

            case __get_functor_ptr:
                __dest._M_access<_Functor*>() = &_Base::_M_get_pointer(__source)->__value;
                break;

            default:
                _Base::_M_manager(__dest, __source, __op);
        }
        return false;
    }

    static void _M_invoke(const _Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)
    {
        std::mem_fn(_Base::_M_get_pointer(__functor)->__value)(std::forward<_ArgTypes>(__args)...);
    }
};

从源代码中可以看出_Function_handler有六种重载形式，以下对其进行分类说明：

第一个和第二个重载形式继承于std::_Function_base::_Base_manager，当std::function接管的可调用实体是一个普通函数指针、类实例或者Lambda表达式时，发挥作用的就是这两个类。里面的内容很简单，通过调用_Function_base::_Base_manager<_Functor>的_M_get_pointer方法从__functor中取出对应的可调用实体，然后直接执行，我们知道能直接执行的可调用实体的类型是普通函数指针、类实例（必须重载了()运算符）或者Lambda表达式（Lambda其实本质就是一个匿名的类实例）。这两个重载形式的唯一区别就是它们一个处理函数有返回值的情况，另一个处理没返回值的情况。
第三个和第四个重载形式继承于std::_Function_base::_Ref_manager，可以看出它们基本上算是前两个类的偏特化版本，当第二个模板参数为std::reference_wrapper包装的引用时，就调用这两个偏特化的版本。这两个重载形式的唯一区别也是它们一个处理函数有返回值的情况，另一个处理没返回值的情况。现在问题来了，为什么要搞一个对于std::reference_wrapper类型的偏特化版本呢？这是因为如果可调用实体已经先被std::reference_wrapper包装过的话，那我们是绝对绝对不能直接调用这个可调用实体的，因为此时根本不确定这个被包装的可调用实体究竟是什么类型的，如果是类成员函数的话那当然是不能直接调用的，此时必须使用std::mem_fn来获取一个可调用的对象，类中使用的std::__callable_functor函数的实现如下面的代码所示，可以看到有好几种特化版本，当std::reference_wrapper包装的可调用实体是一个类成员函数指针时，就会通过std::mem_fn来获取一个可调用的对象，这和前面描述的内容一致。

template<typename _Functor>
inline _Functor& __callable_functor(_Functor& __f)
{ return __f; }

template<typename _Member, typename _Class>
inline _Mem_fn<_Member _Class::*> __callable_functor(_Member _Class::* &__p)
{ return std::mem_fn(__p); }

template<typename _Member, typename _Class>
inline _Mem_fn<_Member _Class::*> __callable_functor(_Member _Class::* const &__p)
{ return std::mem_fn(__p); }

template<typename _Member, typename _Class>
inline _Mem_fn<_Member _Class::*> __callable_functor(_Member _Class::* volatile &__p)
{ return std::mem_fn(__p); }

template<typename _Member, typename _Class>
inline _Mem_fn<_Member _Class::*> __callable_functor(_Member _Class::* const volatile &__p)
{ return std::mem_fn(__p); }

关于上面提到的std::reference_wrapper和std::mem_fn，大家如果可以不懂的话一定要看下面两篇文章，不然的话就像学英语不会英语单词一样，根本不可能看懂std::function的内容的

《C++11的std::ref、std::cref源码解析》
《C++11的std::mem_fn源码解析》

第五个和第六个重载形式和前面的差不多，这两个也是属于偏特化版本，主要是用于处理可调用实体为类成员函数指针的情况，这里就可以看到直接调用了std::men_fn函数来使得我们可以直接调用对应的类成员函数，从这点也可以看出std::men_fn函数的重要性，不懂的小伙伴一定要去看前面两篇文章啊。
每一个类里面的_M_invoke函数都用了_M_get_pointer（来源不全部相同），从代码逻辑上不难看出_M_get_pointer函数的作用是从第一个传入参数__functor中取出对应的可调用实体，然后将后面的可变参传给这个可调用实体，运行它，这个功能是不是就有点似曾相识了？对，这就是我们平时正常调用函数的那样子嘛，也就是说std::function的函数执行功能在这里实现了
从代码中我们可以看出这几个类都是和std::_Function_base相关的，并且到现在还是不知道_M_functor究竟是个什么东西，接下来分析std::_Function_base，看一下里面究竟做了哪些工作

3.3、_Any_data解析

_Any_data位于libstdc++-v3\include\std\functional中

union _Nocopy_types
{
    void*       _M_object;
    const void* _M_const_object;
    void (*_M_function_pointer)();
    void (_Undefined_class::*_M_member_pointer)();
};

union _Any_data
{
    void*       _M_access()       { return &_M_pod_data[0]; }
    const void* _M_access() const { return &_M_pod_data[0]; }

    template<typename _Tp>
    _Tp& _M_access()
    { return *static_cast<_Tp*>(_M_access()); }

    template<typename _Tp>
    const _Tp& _M_access() const
    { return *static_cast<const _Tp*>(_M_access()); }

    _Nocopy_types _M_unused;
    char _M_pod_data[sizeof(_Nocopy_types)];
};

看std::_Function_base之前先看一个重要的联合体_Any_data，这个在前面出现很多次了，但是一直没有介绍一下它究竟是个什么东西，下面简单分析一下：

有两个联合体成员，一个是_M_unused（没卵用），一个是_M_pod_data，这两个的占用内存是一样的，具体原因就不讲了，大家可以自己用sizeof去试一下
里面有四个_M_access函数，前两个是直接将_M_pod_data的地址返回出去，不做任何转换，后两个则是可以将_M_pod_data转换为任意类型返回，从这里可以看出这个_Any_data的作用就是来接管可调用对象的，所以后续可以通过各种转换将它还原为可调用的形式（比如前面提到的那个_Function_base::_Base_manager<_Functor>::_M_get_pointer方法就是干这个货活的）
简单看一下_Nocopy_types这个联合体，前两个成员的寓意就是类实例或Lambda表达式，第三个寓意是普通函数指针，第四个寓意是类成员函数指针，仔细一看这不就是我们前面提到无数次的可调用实体的几种形式吗？这个_Nocopy_types从上下文看来并没有什么乱用，估计就是源码作者写给读者看的吧，让大家更容易读懂源码。

3.4、std::_Function_base解析

std::_Function_base的实现位于libstdc++-v3\include\std\functional中

class _Function_base
{
public:
    static const std::size_t _M_max_size = sizeof(_Nocopy_types);
    static const std::size_t _M_max_align = __alignof__(_Nocopy_types);

    template<typename _Functor>
    class _Base_manager
    {
    protected:
        static const bool __stored_locally =
            (__is_location_invariant<_Functor>::value
            && sizeof(_Functor) <= _M_max_size
            && __alignof__(_Functor) <= _M_max_align
            && (_M_max_align % __alignof__(_Functor) == 0));

        typedef integral_constant<bool, __stored_locally> _Local_storage;

        static _Functor* _M_get_pointer(const _Any_data& __source)
        {
            const _Functor* __ptr = __stored_locally? std::__addressof(__source._M_access<_Functor>()) : __source._M_access<_Functor*>();
            return const_cast<_Functor*>(__ptr);
        }

        static void _M_clone(_Any_data& __dest, const _Any_data& __source, true_type)
        {
            new (__dest._M_access()) _Functor(__source._M_access<_Functor>());
        }

        static void _M_clone(_Any_data& __dest, const _Any_data& __source, false_type)
        {
            __dest._M_access<_Functor*>() = new _Functor(*__source._M_access<_Functor*>());
        }

        static void _M_destroy(_Any_data& __victim, true_type)
        {
            __victim._M_access<_Functor>().~_Functor();
        }

        static void _M_destroy(_Any_data& __victim, false_type)
        {
            delete __victim._M_access<_Functor*>();
        }

    public:
        static bool _M_manager(_Any_data& __dest, const _Any_data& __source, _Manager_operation __op)
        {
            switch (__op)
            {
                case __get_functor_ptr:
                    __dest._M_access<_Functor*>() = _M_get_pointer(__source);
                    break;

                case __clone_functor:
                    _M_clone(__dest, __source, _Local_storage());
                    break;

                case __destroy_functor:
                    _M_destroy(__dest, _Local_storage());
                    break;
            }
            return false;
        }

        static void _M_init_functor(_Any_data& __functor, _Functor&& __f)
        { _M_init_functor(__functor, std::move(__f), _Local_storage()); }

        template<typename _Signature>
        static bool _M_not_empty_function(const function<_Signature>& __f)
        { return static_cast<bool>(__f); }

        template<typename _Tp>
        static bool _M_not_empty_function(_Tp* const& __fp)
        { return __fp; }

        template<typename _Class, typename _Tp>
        static bool _M_not_empty_function(_Tp _Class::* const& __mp)
        { return __mp; }

        template<typename _Tp>
        static bool _M_not_empty_function(const _Tp&)
        { return true; }

    private:
        static void _M_init_functor(_Any_data& __functor, _Functor&& __f, true_type)
        { new (__functor._M_access()) _Functor(std::move(__f)); }

        static void _M_init_functor(_Any_data& __functor, _Functor&& __f, false_type)
        { __functor._M_access<_Functor*>() = new _Functor(std::move(__f)); }
    };

    template<typename _Functor>
    class _Ref_manager : public _Base_manager<_Functor*>
    {
        typedef _Function_base::_Base_manager<_Functor*> _Base;

    public:
        static bool _M_manager(_Any_data& __dest, const _Any_data& __source, _Manager_operation __op)
        {
            switch (__op)
            {
                case __get_functor_ptr:
                    __dest._M_access<_Functor*>() = *_Base::_M_get_pointer(__source);
                    return is_const<_Functor>::value;
                    break;

                default:
                    _Base::_M_manager(__dest, __source, __op);
            }
            return false;
        }

        static void _M_init_functor(_Any_data& __functor, reference_wrapper<_Functor> __f)
        {
            _Base::_M_init_functor(__functor, std::__addressof(__f.get()));
        }
    };

    _Function_base() : _M_manager(0) { }

    ~_Function_base()
    {
        if (_M_manager)
            _M_manager(_M_functor, _M_functor, __destroy_functor);
    }

    bool _M_empty() const { return !_M_manager; }

    typedef bool (*_Manager_type)(_Any_data&, const _Any_data&, _Manager_operation);

    _Any_data     _M_functor;
    _Manager_type _M_manager;
};

从源代码中可以看出以下几点信息：

该类有两个类成员，分别是_M_functor和_M_manager，_M_functor就不用多说了，前面一直有提到它，他的类型_Any_data也在上一小节讲过了。而_M_manager则是一个函数指针，下面再介绍它有什么用。
这里看一下_Function_base::_Base_manager类里面的各个方法
- _M_init_functor函数：该函数前面提到过了，当时看到的是将std::function接管的可调用对象传递给了这个函数，而从前面我们知道_Any_data类型的数据是可以接管所有形式的可调用实体的，所以综合可得_M_init_functor函数的作用就是将传递给它的第二个参数储存到第一个参数中（_Any_data类型数据），这样就达成了接管可调用实体的功能了
- _M_get_pointer函数：这个函数同样在前面提到过，当时我们只知道通过调用_M_get_pointer可以获取到我们接管的那个可调用实体，但是不知道是如何实现的，这里可以看出他的实现是非常简单的，也就是从它的传入参数（_Any_data类型数据）将可调用实体取出，并强制转换为合法的类型，里面用到了std::__addressof，作用就是即使目标变量（类）存在operator&的重载，也依然能够获得变量的地址。
- 关于std::__addressof的详细内容可以看这篇文章《C++11的std::addressof源码解析》
- _M_manager函数：该函数就是根据传入的第三个参数来确定执行不同的功能，其余的几个函数无非就是涉及到内存的分配和释放之类的，对我们理解std::function的影响不大，这里就不展开讲了
接下来看一下_Function_base::_Ref_manager类
- 可以看到该类继承于_Function_base::_Base_manager类，可见他拥有_Function_base::_Base_manager类实现的所有功能
- 该类是处理当std::function接管的是一个引用包装类的情况的，为什么这种情况需要单独处理呢？因为此时如果直接对传入参数取地址，取到的将是引用包装类的地址，而不是我们要接管的可调用对象的地址，所以只能搞这么一个特化版本，就像_Function_base::_Ref_manager类做的那样，里面的_M_init_functor函数通过使用reference_wrapper的get方法获取到了std::function接管的可调用对象的真实地址
_Function_base类里的其它方法就不讲了，大家自己看一下吧，其余的实现基本都是基于前面讲的那些内容，比较简单

4、总结

本文先是简单介绍了std::function的用途（对C++中各种可调用实体进行封装），然后通过对源码进行详细分析，我们知道了std::function是如何实现对可调用实体进行封装的，源码内容会比较复杂，但是其中的设计思路是很值得我们学习借鉴的，尤其是与std::reference_wrapper和std::mem_fn配合的那部分代码更是精妙绝伦。
读者如果不清楚std::reference_wrapper和std::mem_fn的作用的话，是不可能完全看懂std::function的源代码的，所以这里再次建议大家先看完下面两篇文章再来学习std::function相关内容：