【C++】C++11的std::function和std::bind用法详解

在设计回调函数的时候，无可避免地会接触到可回调对象。在C++11中，提供了std::function和std::bind两个方法来对可回调对象进行统一和封装。

可调用对象

C++中有如下几种可调用对象：函数、函数指针、lambda表达式、bind对象、函数对象。其中，lambda表达式和bind对象是C++11标准中提出的(bind机制并不是新标准中首次提出，而是对旧版本中bind1st和bind2st的合并)。个人认为五种可调用对象中，函数和函数指针本质相同，而lambda表达式、bind对象及函数对象则异曲同工。

函数

这里的函数指的是普通函数，没什么可拓展的。

函数指针

插播一下函数指针和函数类型的区别：

• 函数指针指向的是函数而非对象。和其他指针类型一样，函数指针指向某种特定类型；
• 函数类型由它的返回值和参数类型决定，与函数名无关。
  例如：

bool fun(int a, int b)

上述函数的函数类型是：bool(int, int)

上述函数的函数指针pf是：bool (*pf)(int, int)

一般对于函数来说，函数名即为函数指针：

# include 

int fun(int x, int y) {                         //被调用的函数
    std::cout << x + y << std::endl;
	return x + y;
}

int fun1(int (*fp)(int, int), int x, int y) {   //形参为函数指针
	return fp(x, y);
}

typedef int (*Ftype)(int, int);                 //定义一个函数指针类型Ftype
int fun2(Ftype fp, int x, int y) { 
	return fp(x, y);
}

int main(){
	fun1(fun, 100, 100);                          //函数fun1调用函数fun
	fun2(fun, 200, 200);                          //函数fun2调用函数fun
}

编译并运行：

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ g++ main.cc -o main -std=C++11
yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ ./main 
200
400

可以看出，函数指针作为参数，可以在调用函数中调用函数指针代表的函数内容。

lambda表达式

lambda表达式就是一段可调用的代码。主要适合于只用到一两次的简短代码段。由于lambda是匿名的，所以保证了其不会被不安全的访问:

# include 

int fun3(int x, int y){
	auto f = [](int x, int y) { return x + y; };  //创建lambda表达式,如果参数列表为空，可以省去() 
	std::cout << f(x, y) << std::endl;            //调用lambda表达式
}

int main(){
    fun3(300, 300);
}

关于lamdba表达式的内容，可以参考博文：C++ 11 Lambda表达式。

bind对象

std::bind可以用来生产，一个可调用对象来适应原对象的参数列表。具体的内容会在下文讲解。

函数对象

重载了函数调用运算符()的类的对象，即为函数对象。

std::function

由上文可以看出：由于可调用对象的定义方式比较多，但是函数的调用方式较为类似，因此需要使用一个统一的方式保存可调用对象或者传递可调用对象。于是，std::function就诞生了。

std::function是一个可调用对象包装器，是一个类模板，可以容纳除了类成员函数指针之外的所有可调用对象，它可以用统一的方式处理函数、函数对象、函数指针，并允许保存和延迟它们的执行。

定义function的一般形式：

# include 
std::function<函数类型>

例如：

# include 
# include 

typedef std::function<int(int, int)> comfun;

// 普通函数
int add(int a, int b) { return a + b; }

// lambda表达式
auto mod = [](int a, int b){ return a % b; };

// 函数对象类
struct divide{
    int operator()(int denominator, int divisor){
        return denominator/divisor;
    }
};

int main(){
	comfun a = add;
	comfun b = mod;
	comfun c = divide();
    std::cout << a(5, 3) << std::endl;
    std::cout << b(5, 3) << std::endl;
    std::cout << c(5, 3) << std::endl;
}

std::function可以取代函数指针的作用，因为它可以延迟函数的执行，特别适合作为回调函数使用。它比普通函数指针更加的灵活和便利。

故而，std::function的作用可以归结于：

1. std::function对C++中各种可调用实体(普通函数、Lambda表达式、函数指针、以及其它函数对象等)的封装，形成一个新的可调用的std::function对象，简化调用；
2. 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(如：函数指针这类可调用实体，是类型不安全的)。

类型安全的介绍：C++类型安全

std::bind

std::bind可以看作一个通用的函数适配器，它接受一个可调用对象，生成一个新的可调用对象来适应原对象的参数列表。

std::bind将可调用对象与其参数一起进行绑定，绑定后的结果可以使用std::function保存。std::bind主要有以下两个作用：

• 将可调用对象和其参数绑定成一个仿函数；
• 只绑定部分参数，减少可调用对象传入的参数。

调用bind的一般形式：

auto newCallable = bind(callable, arg_list);

该形式表达的意思是：当调用newCallable时，会调用callable，并传给它arg_list中的参数。

需要注意的是：arg_list中的参数可能包含形如_n的名字。其中n是一个整数，这些参数是占位符，表示newCallable的参数，它们占据了传递给newCallable的参数的位置。数值n表示生成的可调用对象中参数的位置：_1为newCallable的第一个参数，_2为第二个参数，以此类推。

直接文字可能不那么生动，不如看代码：

#include 
#include 

class A {
public:
    void fun_3(int k,int m) {
        std::cout << "print: k = "<< k << ", m = " << m << std::endl;
    }
};

void fun_1(int x,int y,int z) {
    std::cout << "print: x = " << x << ", y = " << y << ", z = " << z << std::endl;
}

void fun_2(int &a,int &b) {
    ++a;
    ++b;
    std::cout << "print: a = " << a << ", b = " << b << std::endl;
}

int main(int argc, char * argv[]) {
    //f1的类型为 function
    auto f1 = std::bind(fun_1, 1, 2, 3); 					//表示绑定函数 fun 的第一，二，三个参数值为： 1 2 3
    f1(); 													//print: x=1,y=2,z=3

    auto f2 = std::bind(fun_1, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2, 3);
    //表示绑定函数 fun 的第三个参数为 3，而fun 的第一，二个参数分别由调用 f2 的第一，二个参数指定
    f2(1, 2);												//print: x=1,y=2,z=3
 
    auto f3 = std::bind(fun_1, std::placeholders::_2, std::placeholders::_1, 3);
    //表示绑定函数 fun 的第三个参数为 3，而fun 的第一，二个参数分别由调用 f3 的第二，一个参数指定
    //注意： f2  和  f3 的区别。
    f3(1, 2);												//print: x=2,y=1,z=3

    int m = 2;
    int n = 3;
    auto f4 = std::bind(fun_2, std::placeholders::_1, n); //表示绑定fun_2的第一个参数为n, fun_2的第二个参数由调用f4的第一个参数（_1）指定。
    f4(m); 													//print: a=3,b=4
    std::cout << "m = " << m << std::endl;					//m=3  说明：bind对于不事先绑定的参数，通过std::placeholders传递的参数是通过引用传递的,如m
    std::cout << "n = " << n << std::endl;					//n=3  说明：bind对于预先绑定的函数参数是通过值传递的，如n
    
    A a;
    //f5的类型为 function
    auto f5 = std::bind(&A::fun_3, &a, std::placeholders::_1, std::placeholders::_2); //使用auto关键字
    f5(10, 20);												//调用a.fun_3(10,20),print: k=10,m=20

    std::function<void(int,int)> fc = std::bind(&A::fun_3, a,std::placeholders::_1,std::placeholders::_2);
    fc(10, 20);   											//调用a.fun_3(10,20) print: k=10,m=20 

    return 0; 
}

编译并运行：

yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ g++ main.cc -o main -std=C++11
yngzmiao@yngzmiao-virtual-machine:~/test$ ./main 
print: x = 1, y = 2, z = 3
print: x = 1, y = 2, z = 3
print: x = 2, y = 1, z = 3
print: a = 3, b = 4
m = 3
n = 3
print: k = 10, m = 20
print: k = 10, m = 20

由此例子可以看出：

• 预绑定的参数是以值传递的形式，不预绑定的参数要用std::placeholders(占位符)的形式占位，从_1开始，依次递增，是以引用传递的形式；
• std::placeholders表示新的可调用对象的第几个参数，而且与原函数的该占位符所在位置的进行匹配；
• bind绑定类成员函数时，第一个参数表示对象的成员函数的指针，第二个参数表示对象的地址，这是因为对象的成员函数需要有this指针。并且编译器不会将对象的成员函数隐式转换成函数指针，需要通过&手动转换；
• std::bind的返回值是可调用实体，可以直接赋给std::function。

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• C++函数指针、函数对象与C++11 function对象对比分析
• bind原理图释
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