C++提供了多個(gè)包裝器，它們主要是為了給其他編程接口提供更一致或更合適的接口。C++11提供了多個(gè)包裝器，這里我們重點(diǎn)了解一下包裝器function。

對(duì)于function, C++ 參考手冊(cè)給出的定義為：

類(lèi)模板 std::function 是通用多態(tài)函數(shù)封裝器。std::function 的實(shí)例能存儲(chǔ)、復(fù)制及調(diào)用任何可調(diào)用 (Callable) 目標(biāo)——函數(shù)、 lambda 表達(dá)式、 bind 表達(dá)式或其他函數(shù)對(duì)象，還有指向成員函數(shù)指針和指向數(shù)據(jù)成員指針。

C++11為什么要引入function

我們先看一個(gè)例子：

#include < iostream >

template < typename T, typename F >
T use_f(T v, F f) {
    static int count = 0;
    count++;
    std::cout < < " use_f count = " < < count < < ", &count = " < < &count
        < < std::endl;
    return f(v);
}

class Fp {
    private:
    double z_;

    public:
    Fp(double z = 1.0) : z_(z) {}
    double operator()(double p) { return z_ * p; }
};

class Fq {
    private:
    double z_;

    public:
    Fq(double z = 1.0) : z_(z) {}
    double operator()(double q) { return z_ + q; }
};

double dub(double x) { return 2.0 * x; }
double square(double x) { return x * x; }
int main() {
    using std::cout;
    using std::endl;
    double y = 1.21;
    cout < < "Function pointer dub:n";
    /*dub是函數(shù)名（函數(shù)名是一個(gè)指針），
    因此參數(shù)F對(duì)應(yīng)的類(lèi)型為double(*)double,
    即一個(gè)指向（接受一個(gè)double參數(shù)并返回一個(gè)double的）函數(shù)指針*/
    cout < < " " < < use_f(y, dub) < < endl; 
    cout < < "Function pointer square:n";
    cout < < " " < < use_f(y, square) < < endl;//同上
    
    cout < < "Function object Fp:n";
    //Fp(5.0)是一個(gè)參數(shù)對(duì)象，F(xiàn)對(duì)應(yīng)的類(lèi)型為Fp
    cout < < " " < < use_f(y, Fp(5.0)) < < endl;
    cout < < "Function object Fq:n";
    //Fq(5.0)是一個(gè)參數(shù)對(duì)象，F(xiàn)對(duì)應(yīng)的類(lèi)型為Fq
    cout < < " " < < use_f(y, Fq(5.0)) < < endl;
    
    cout < < "Lambda expression 1:n";
    //此處是一個(gè)lambda表達(dá)式，F(xiàn)對(duì)應(yīng)的類(lèi)型為該lambda表達(dá)式使用的類(lèi)型
    cout < < " " < < use_f(y, [](double u) { return u * u; }) < < endl;
    cout < < "Lambda expression 2:n";
    ////此處是一個(gè)lambda表達(dá)式，F(xiàn)對(duì)應(yīng)的類(lèi)型為該lambda表達(dá)式使用的類(lèi)型
    cout < < " " < < use_f(y, [](double u) { return u + u / 2.0; }) < < endl;
    return 0;
}

程序通過(guò)一個(gè)模板函數(shù)use_f使用參數(shù)f表示調(diào)用的類(lèi)型，然后將f(v)返回。在主函數(shù)中我們6次調(diào)用模板函數(shù)，對(duì)于前兩個(gè)調(diào)用的use_f為同一個(gè)實(shí)例化。后面四個(gè)，每一個(gè)都有其對(duì)應(yīng)use_f的實(shí)例化。實(shí)際上，上述代碼的運(yùn)行結(jié)果如下：

Function pointer dub:
  use_f count = 1, &count = 0x555555756140
2.42
Function pointer square:
  use_f count = 2, &count = 0x555555756140
1.4641
Function object Fp:
  use_f count = 1, &count = 0x555555756144
6.05
Function object Fq:
  use_f count = 1, &count = 0x555555756148
6.21
Lambda expression 1:
  use_f count = 1, &count = 0x555555756138

從運(yùn)行結(jié)果中，我們可以看出，在這六次調(diào)用中use_f的實(shí)例化了5次。使用模板函數(shù)，看似統(tǒng)一了操作形式，但其對(duì)于不同類(lèi)型的F對(duì)模板函數(shù)都要進(jìn)行一次實(shí)例化，這大大增加了編譯的時(shí)長(zhǎng)，并使頭文件也增大，同時(shí)也降低了代碼的執(zhí)行效率。為了解決這類(lèi)問(wèn)題，我們首先能想到的解決辦法就是：降低use_f的實(shí)例化的次數(shù)，理想的情況下是：在這6次循環(huán)調(diào)用的時(shí)候，調(diào)用同一個(gè)use_f的實(shí)例。針對(duì)上述例子，根據(jù)代碼注釋的分析，如果我們能將這6次調(diào)用中模板函數(shù)中F的類(lèi)型保持統(tǒng)一，就可以像第一、二次調(diào)用的情況類(lèi)似，使這六次調(diào)用同一個(gè)use_f的實(shí)例成為可能。

針對(duì)例子中的函數(shù)指針、函數(shù)對(duì)象和lambda表達(dá)式，它們有一個(gè)共同的特征：都是接受一個(gè)double參數(shù)并返回一個(gè)double值。也就是它們的調(diào)用特征標(biāo)（它們的特征標(biāo)都是double(double)）相同。這便是function解決這個(gè)問(wèn)題的關(guān)鍵?！?注 ：調(diào)用特征標(biāo)是由返回類(lèi)型和參數(shù)類(lèi)型列表決定的，其格式為：返回類(lèi)型(參數(shù)類(lèi)型列表)，其中每個(gè)參數(shù)類(lèi)型用逗號(hào)分隔?！?/p>

因此，C++11引入了function包裝器。function包裝器可以簡(jiǎn)單理解為一個(gè)接口，它可以將特征標(biāo)相同的函數(shù)指針、函數(shù)對(duì)象和lambda表達(dá)式等統(tǒng)一定義為一類(lèi)特殊的對(duì)象。

function的用法

包裝器function的本質(zhì)是一個(gè)模板，它是在頭文件functional中聲明，其使用方法如下：

template< class >
class function; 

template< class R, class... Args >
class function< R(Args...) >;

其中R為被調(diào)用函數(shù)的返回類(lèi)型，Args為被調(diào)用函數(shù)的形參。存儲(chǔ)的可調(diào)用對(duì)象被稱(chēng)為std::function的目標(biāo)，如果目標(biāo)為空，則調(diào)用空的function會(huì)導(dǎo)致拋出std::bad_function_call異常。

示例：

#include < functional >
#include < iostream >

void print_num(int i) { std::cout < < i < < 'n'; }

int main() {
  // 存儲(chǔ)自由函數(shù)
  std::function< void(int) > f_display = print_num;
  f_display(-9);

  // 存儲(chǔ) lambda
  std::function< double(double) > f_dub = [](double a) { return 2.0 * a; };
  std::cout < < f_dub(2) < < 'n';

  // 存儲(chǔ)目標(biāo)為空
  std::function< int() > f = nullptr;
  try {
    f();
  } catch (const std::bad_function_call& e) { //拋出異常
    std::cout < < e.what() < < 'n';
  }
}

輸出結(jié)果為：

-9
4
bad_function_call

在了解完function的用法之后，回到我們最開(kāi)始的問(wèn)題，其中，6次循環(huán)中要處理的目標(biāo)的特征標(biāo)均為double(double)，因此，我們班使用function包裝器將它們將統(tǒng)一“包裝”成function類(lèi)型，這樣模板函數(shù)use_f將只實(shí)例化一次。使用function包裝器改進(jìn)后的代碼如下所示：

#include < functional >
#include < iostream >

template < typename T, typename F >
T use_f(T v, F f) {
  static int count = 0;
  count++;
  std::cout < < " use_f count = " < < count < < ", &count = " < < &count
            < < std::endl;
  return f(v);
}

class Fp {
 private:
  double z_;

 public:
  Fp(double z = 1.0) : z_(z) {}
  double operator()(double p) { return z_ * p; }
};

class Fq {
 private:
  double z_;

 public:
  Fq(double z = 1.0) : z_(z) {}
  double operator()(double q) { return z_ + q; }
};

double dub(double x) { return 2.0 * x; }
double square(double x) { return x * x; }
int main() {
  using std::cout;
  using std::endl;
  using std::function;
  double y = 1.21;
  typedef function< double(double) > fdd;  // simplify the type declaration

  cout < < "Function pointer dub:n";
  cout < < " " < < use_f(y, fdd(dub)) < < endl;
  cout < < "Function pointer square:n";
  cout < < " " < < use_f(y, fdd(square)) < < endl;
  cout < < "Function object Fp:n";
  cout < < " " < < use_f(y, fdd(Fq(10.0))) < < endl;
  cout < < "Function object Fq:n";
  cout < < " " < < use_f(y, fdd(Fp(10.0))) < < endl;
  cout < < "Lambda expression 1:n";
  cout < < " " < < use_f(y, fdd([](double u) { return u * u; })) < < endl;
  cout < < "Lambda expression 2:n";
  cout < < " " < < use_f< double >(y, fdd([](double u) { return u + u / 2.0; }))
       < < endl;

  return 0;
}

輸出結(jié)果為：

Function pointer dub:
  use_f count = 1, &count = 0x555555758134
2.42
Function pointer square:
  use_f count = 2, &count = 0x555555758134
1.4641
Function object Fp:
  use_f count = 3, &count = 0x555555758134
11.21
Function object Fq:
  use_f count = 4, &count = 0x555555758134
12.1
Lambda expression 1:
  use_f count = 5, &count = 0x555555758134
1.4641
Lambda expression 2:
  use_f count = 6, &count = 0x555555758134
1.815

從輸出結(jié)果可以看出，use_f確實(shí)只實(shí)例化了一次，增加了編碼效率，6次循環(huán)調(diào)用同一個(gè)函數(shù)，增加了代碼額執(zhí)行效率。

總結(jié)

function包裝器將可調(diào)用對(duì)象的類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)一，便于我們對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)一化管理，同時(shí)，使用function包裝器可以解決模板效率低下，實(shí)例化多份的問(wèn)題。