实现functor - 增强型的函数指针

实现functor - 增强型的函数指针

作者：Kevin Lynx

需求：

开发一种组件，用以包装C函数、通常的函数对象、成员函数，使其对外保持一种一致的接口。我将最终的
组件称为functor，这里的functor与loki中的functor以及boost中的function功能一致，同STL中的functor
在概念层次上可以说也是一样的。那么，functor其实也可以进一步传进其他functor构成新的functor。

C++世界里还有一种组件，称做bind(er)，例如STL中的binder1st、binder2nd，以及boost中的bind。所谓
的bind是将一些参数与函数之类的关联起来，当执行该bind创建的对象时，库会自动将之前bind的参数传
递给bind创建的对象。bind创建出来的对象在某种程度上来说也是一种functor。

实现：

包装C函数和函数对象的functor事实上是一致的，而实现包装成员函数的functor则需要多传入一个对象参数。
因此这里先讨论包装C函数和函数对象的functor。

包装C函数：

思考下各种不同的C函数的共同点和不同点，共同点就是这些函数都有一个返回值，参数个数可能相同，可能
不同，参数类型可能相同可能不同。考虑到模板对于类型的泛化特性，对于参数类型来说，可以轻松实现无
关性。而至于参数个数的泛化，则要复杂点。这里先考虑实现参数个数为1个的functor：

template <typename _R, typename _P1>
class functor
{
public:
 typedef _R (*func_type)( _P1 );
public:
 explicit functor( const func_type &func ) :
  _func( func )
 {
 }
 
 _R operator() ( _P1 p )
 {
  return _func( p );
 }

private:
 func_type _func;
};

要使用这个类模板，可以这样：

functor<int, int> cmd( func ); // int func( int )
cmd( 1 );

这样，functor这个类模板就可以保存所以只有一个参数返回值任意的函数。但是这里首要的问题是，这个
类模板无法保存具有相同类型的函数对象，例如函数对象：

struct Func
{
    int operator() ( int i )
    {
        return i;
    }
};

Func obj; 因为obj的类型事实上是Func，并不是一般的函数类型（例如 int (*)(int) ）。那么，这里就需要
将functor::func_type这个typedef泛化。

包装函数对象：

要实现这个目的，其实并不那么容易。一种比较直接的方法是我们把functor::func_type通过模板参数显示地让用户配置，
例如：

template <typename _R, typename _P1, typename _FuncType>
class functor
{
public:
 typedef _FuncType func_type;
 //以下内容相同

那么，现在就可以这样使用functor：

functor<int, int, int(*)(int)> cmd( func );
cmd( 1 );
// 测试函数对象
Func obj;
functor<int, int, Func> cmd2( obj );
cmd2( 2 );

自动推导类型：

但是，这种显示指定functor保存的函数(函数对象)的类型显然是不方便的。我希望functor可以自动获取我们要
保存的东西（C函数，函数对象，为方便起见，以下全部简称为函数）的类型。而一个函数模板正可以做到这一点。
以下简写很多思考过程，直接给出一个解决方案：

template <typename _R, typename _P1>
struct handler_base
{
 virtual _R operator() ( _P1 ) = 0;
};

template <typename _R, typename _P1, typename _FuncType>
class handler : public handler_base<_R, _P1>
{
public:
 typedef _FuncType func_type;
public:
 handler( const func_type &func ) :
   _func( func )
 {
 }

 _R operator() ( _P1 p )
 {
  return _func( p );
 }

public:
 func_type _func;
};

template <typename _R, typename _P1>
class functor
{
public:
 typedef handler_base<_R, _P1> handler_type ;
public:
 template <typename _FuncType>
 functor( _FuncType func ) :
  _handler( new handler<_R, _P1, _FuncType>( func ) )
 {
 }
 
 ~functor()
 {
  delete _handler;
 }

 _R operator() ( _P1 p )
 {
  return (*_handler)( p );
 }

private:
 handler_type *_handler;
};

代码多了一倍，还增加了多态机制，使用了动态内存分配（这总会为我们增加麻烦），所以这些，就是为了提供
给用户一个方便一致的接口。现在我们可以这样使用functor：

functor<int, int> cmd1( func );
cmd1( 1 );

Func obj;
functor<int, int> cmd2( obj );
cmd2( 2 );

虽然目标实现了，可是看上去并不完美。碍眼的就是那个virtual，以及new/delete。不过因为这里离我的最终
目标还很远，所以姑且不管这些。接下来要实现的是让functor支持任意个参数（事实上任意个是不可能的）。

让更多的类型加入进来：

这里支持任意个参数似乎不现实，因为C++并不支持这样的语法形式：

template <typename _R, >
class functor;

也就是说模板并不支持可变参数。（可变参数那是C里面的东西，C++本身就不鼓励）

这里，最简单的实现方法就是定义各种functor，支持0个参数的functor，支持一个参数的functor（我们以上实现的），
支持两个参数的functor，等等。相应的，我们给每一个functor命名为functor0，functor1，functor2，。。。

这确实是一种朴实的解决方法，但同时看上去也确实很不优雅。我们其实完全可以通过一种模板技术让functor1这种
丑陋的命名方式消失，这就是模板偏特化(partial specialization)。

Loki中的魔法：

首先我们要让functor这个顶层类可以看上去似乎支持可变长度的模板参数。这个可以通过loki的TypeList实现。但是
我们这里并不会用到特别复杂的TypeList技术。所谓TypeList，大致上核心在于以下类型：

template <typename _T, typename _U>
struct type_list
{
 typedef _T head_type;
 typedef _U tail_type;
};

然后我们可以以一种递归的方式去容纳任意长度的类型列表（所谓type list）：
type_list<int, type_list<char, float> >
在实际实现时，我们通常会为每一个type list添加一个在loki中叫null_type的类型，就像C字符串末尾的'\0'一样：
type_list<int, type_list<char, null_type> >
而null_type很简单，就是一个没有任何东西的空类型：

struct null_type { };

为了更方便地产生type_list，我们按照loki中的做法，定义一系列的宏：

#define TYPE_LIST1( T1 ) type_list<T1, null_type>
#define TYPE_LIST2( T1, T2 ) type_list<T1, TYPE_LIST1( T2 )>
#define TYPE_LIST3( T1, T2, T3 ) type_list<T1, TYPE_LIST2( T2, T3 )>
/// etc

注：以上内容基本和<C++设计新思维>部分内容相同

讲述了以上基本内容（我希望你能理解），接下来我要阐述下我的目的。我会把新的functor定义成：

template <typename _R, typename _ParamList>
class functor;

如你所见，这和之前的functor本质上是一样的，我只不过改变了一个模板参数的名字（_ParamList）。现在当我们使用
functor的时候，会这样：

functor<void, void>
functor<int, TYPE_LIST1( char )>
functor<void, TYPE_LIST2( char, float )>

我们回头看下之前创建的functor模块的三个类是如何相互关联的：functor提供给外部用户接口，handler保存函数、回调
函数，handler_base则主要是提供给functor一个可以保存的类型（所以functor里保存的是functor_base）以及声明各种接口。
为什么需要提供handler_base，而不直接保存handler？因为handler需要保存函数的类型_FuncType，而这个类型只能在functor构造
函数里被提取出来。局限于这个原因，我加入了handler_base，并不得不加入了virtual，而为了满足virtual的需要，我进一步
不得不将handler方在堆栈上。

现在，我要实现通过functor不同的模板参数（主要在于_ParamList），产生不同的handler_base。关键在于我要产生各种不同的
handler_base！现在我省略很多思考过程，直接给出一种架构：

 

template <typename _R, typename _ParamList>
struct handler_base;

template <typename _R>
struct handler_base<_R, void> : public handler_type_base<_R>
{
 virtual _R operator() ( void ) = 0;
};

template <typename _R, typename _P1>
struct handler_base<_R, TYPE_LIST1( _P1 )> : public handler_type_base<_R>
{
 typedef _P1 param1_type;

 virtual _R operator() ( _P1 ) = 0;
};

/// TODO：添加更多类型的偏特化版本

template <typename _R, typename _ParamList, typename _FuncType>
class handler : public handler_base<_R, _ParamList>
{
public:
 typedef _FuncType func_type;

 typedef handler_base<_R, _ParamList> base_type;
 typedef typename base_type::param1_type param1_type;
 /// TODO：更多的类型定义
public:
 handler( const func_type &func ) :
   _func( func )
 {
 }

    _R operator() ()
 {
  return _func();
 }

 _R operator() ( param1_type p )
 {
  return _func( p );
 }
 ///省略部分代码
 
/// functor
template <typename _R, typename _ParamList>
class functor
{
public:
 typedef handler_base<_R, _ParamList> handler_type ;

 typedef typename handler_type::param1_type param1_type;
 typedef typename handler_type::param2_type param2_type;
 typedef typename handler_type::param3_type param3_type;
 /// TODO：更多类型
public:
 template <typename _FuncType>
 functor( _FuncType func ) :
  _handler( new handler<_R, _ParamList, _FuncType>( func ) )
 {
 }
 
 ~functor()
 {
  delete _handler;
 }

 _R operator() ()
 {
  return (*_handler)();
 }

 _R operator() ( param1_type p )
 {
  return (*_handler)( p );
 }
 ///省略部分代码

 
现在，各种偏特化版本的handler_base，其实就相当于实现了各种参数个数的functor，也就是functor0，functor1等。但是
现在有个很直接的问题，例如当functor<void, int>定义了一个参数时，functor::handler_type里就没有param2_type之类的
类型定义，使用的偏特化版本handler_base也没有部分param之类的类型定义。这会引起编译出错。为了解决这个办法，我不得
不再引入一个用于类型定义的基类：

template <typename _R>
struct handler_type_base
{
 typedef _R result_type;
 typedef null_type param1_type;
 typedef null_type param2_type;
 typedef null_type param3_type;
 /// TODO：添加更多类型定义
};

然后各种偏特化handler_base版本从handler_type_base继承：

template <typename _R, typename _P1, typename _P2>
struct handler_base<_R, TYPE_LIST2(_P1, _P2 )> : public handler_type_base<_R>
{
 typedef _P1 param1_type;
 typedef _P2 param2_type;

 virtual _R operator() ( _P1, _P2 ) = 0;
};

解决了这个编译错误问题，整个functor就基本实现了。现在可以这样使用functor：
没有参数的函数： 

functor<void, void> cmd4( func3 );
cmd4();

两个参数的函数：

functor<void, TYPE_LIST2( int, char)> cmd3( func2 );
cmd3( 3, 'a' );

我稍微提下编译器大致的处理方法：当functor<void, void> cmd4( func3 )时，functor::handler_type为handler_base<void, void>偏特
化版本。该版本定义了void operator()()函数。当cmd4()时，就会调用到handler::operator()()函数。该函数回调func3函数，完成调用。

完结，将成员函数包含进来：

 关于包装成员函数，其实很简单，只是在调用时需要一个该类的对象而已。这里直接从handler_base派生：

 template <typename _R, typename _ParamList, typename _FuncType, typename _ObjType>
class mem_handler : public handler_base<_R, _ParamList>
{
public:
 typedef _FuncType func_type;
 typedef _ObjType obj_type;

 typedef handler_base<_R, _ParamList> base_type;
 typedef typename base_type::param1_type param1_type;
 typedef typename base_type::param2_type param2_type;
 typedef typename base_type::param3_type param3_type;

public:
 mem_handler( obj_type &obj, const func_type &func ) :
  _obj( obj ), _func( func )
 {
 }

 _R operator() ()
 {
  return (_obj.*_func)();
 }

 _R operator() ( param1_type p )
 {
  return (_obj.*_func)( p );
 }

 _R operator() ( param1_type p1, param2_type p2 )
 {
  return (_obj.*_func)( p1, p2 );
 }

private:
 obj_type &_obj;
 func_type _func;
};

在functor中加入另一个构造函数：
 

template <typename _ObjType, typename _FuncType>
functor( _ObjType &obj, _FuncType func ) :
 _handler( new mem_handler<_R, _ParamList, _FuncType, _ObjType>( obj, func ) )
{
}

一切都很完美。使用时：

Test obj2; // Test是一个类
functor<void, TYPE_LIST1( int)> cmd5( obj2, &Test::display );
cmd5( 1 );

 

结束语：
虽然我们最终的目的实现了，但是这还是不够完美。我们还要处理functor的拷贝行为，因为functor天生就是被用来
四处拷贝的。一旦涉及到拷贝，我们就不得不小心翼翼地处理好functor中的那个被new出来的对象。作为一个C++程序员，
你应该时刻警惕放在heap上的东西，建立对heap上的警觉感是很重要的。这里我不得不承认在后期实现中，我直接搬了
loki中的很多方案。如果你不想让这个functor看上去那么优雅，那你完全可以写出functor0，functor1之类的东西。

参考资料：
<C++ template>类模板的偏特化章节
<Modern C++ design>type list， functor章节
loki::functor源代码
boost:;function源代码
stl::bind1st源代码
stl::ptr_fun相关源代码