boost源码剖析之：泛型函数指针类boost::function(rev#3)
boost源碼剖析之：泛型函數指針類boost::function(rev#3)
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劉未鵬
C++的羅浮宮(http://blog.csdn.net/pongba)
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Note:?并非新作，03年曾放在blog上，現在這個版本應該是修改后的最終版本。
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前奏
如你所知，boost庫是個特性完備，且具備工業強度的庫，眾多C++權威的參與使其達到了登峰造極的程度。尤其泛型的強大威力在其中被發揮得淋漓盡致，令人瞠目結舌。
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然而弱水三千，我們只取一瓢飲。下面，我試圖從最單純的世界開始，一步一步帶領你進入源碼的世界，去探究boost::function(下文簡稱function)內部的精微結構。
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通常?，在單純的情況下，對函數的調用簡單而且直觀，像這樣：
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int fun(int someVal);
??int main(){
????fun(10);
??}
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然而你可能需要在某個時刻將函數指針保存下來，并在以后的另一個時刻調用它，像這樣：
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??int fun(int);
??typedef int (*func_handle)(int);
??int main(){
????func_handle fh=fun;
????...??//do something
????fh(10);
??}
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但是，如果fun形式為void fun(int)呢？如你所見，fun可能有無數種形式，如果對fun的每一個形式都typedef一個對應的func_handle，則程序員會焦頭爛額，不勝其擾，代碼也可能變得臃腫和丑陋不堪，甚至如果fun是仿函數呢？
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幸運的是C++泛型可以使代碼變得優雅精致，面對無數種的可能，泛型是最好的選擇。
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因此，你只是需要一個能夠保存函數指針的泛型模板類(對應于Command模式)，因為泛型編程有一個先天性的優勢——可以借助編譯器的力量在編譯期根據用戶提供的類型信息化身千萬(實例化)，所以一個泛型的類可以有無限個實例，也就是說可以保存無限多種可能類型的函數或類似函數的東西(如仿函數)。這個類(在boost庫中的類名為function)與函數指針相比應該有以下一些優勢：
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1.?同一個function對象應能夠接受與它形式兼容的所有函數和仿函數,例如：
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int f1(int); //?這是個函數，形式為?int(int)
short f2(double); //?這個函數形式為?short(double)
??struct functor //?這是個仿函數類，形式為int(int)
??{
????int operator()(int){}
??};
functor f3; //創建仿函數對象
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boost::function<int(int)> func; //?能接受int(int)型的函數或仿函數
func = f1;??//?接受f1
func(10); //?調用f1(10)
func = f2;??//?也能接受short(double)型的f2
func(10); //?調用f2(10)
func = f3;??//?也能接受仿函數f3
func(10); //?調用f3(10)
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2. function應能夠和參數綁定以及其它function-construction庫協同工作。例如，function應該也能夠接受std::bind1st返回的仿函數。這一點其實由第一點已經有所保證。
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3.?當接受的一個空的仿函數對象被調用的時候function應該有可預期的行為。
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顯然，第一點是我們的重點，所謂形式兼容，就是說，對于：
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R1 (T0,T1,T2,...,TN) => FunctionType1
R2 (P0,P1,P2,...,PN) => FunctionType2
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兩種類型的函數（廣義），只要滿足：
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R2能夠隱式轉換為R1
所有Ti都能夠隱式轉換為Pi (i取0,1,2,...)
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那么就說，boost::function<FunctionType1>可以接受FunctionType2類型的函數(注意，反之不行)。支持這一論斷的理由是，只要Ti能夠隱式轉型為Pi，那么參數被轉發給真實的函數調用就是安全的，并且如果R2能夠隱式轉型為R1，那么返回真實函數調用所返回的值就是安全的。這里安全的含義是，C++類型系統假定隱式轉換不會丟失信息，或者編譯器至少會給出編譯警告。
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后面你會看到，boost::function通過所謂的invoker非常巧妙地實現了這點，并且阻止了被形式不兼容的函數賦值的操作。
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探險
先看一個function的最簡單的使用：
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int g(int); //?為了讓代碼簡單，假設g有定義，以后的代碼都會如此
function<int(int)> f(g);
f(0);
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間奏——R(T1,T2,...)函數類型
雖然這個間奏未免早了點兒，但是為了讓你以后不會帶著迷惑，這是必要的。請保持耐心。
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或許你會對模板參數int(int)感到陌生，其實它是個函數類型——函數g的確切類型就是int(int)，而我們通常所看到的函數指針類型int (*)(int)則是&g的類型。它們的區別與聯系在于：當把g作為一個值進行拷貝的時候（例如，按值傳參），其類型就會由int(int)退化為int(*)(int)，即從函數類型退化為函數指針類型——因為從語義上說，函數不能被“按值拷貝”，但身為函數指針的地址值則是可以被拷貝的。另一方面，如果g被綁定到引用，則其類型不會退化，仍保持函數類型。例如：
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template<class T>
void test_func_type(T ft) //?按值傳遞，類型退化
{
//?故意引發編譯錯誤，在錯誤信息里看出ft的類型為退化后的函數指針類型
static_cast<int>(ft);
}
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int g(int); // g的確切類型為int(int)
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test_func_type(g);??// g的類型將會退化為函數指針類型
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int (&ref_f)(int) = g; //?由于綁定到引用，類型并不退化
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當然，這樣的代碼不能通過編譯，因為static_cast顯然不會讓一個函數指針轉換為int，然而我們就是要它通不過編譯，這樣我們才能窺視到按值傳遞的參數ft的類型到底是什么，從編譯錯誤中我們看出，ft的類型是int(*)(int)，也就是說，在按值傳遞的過程中，g的類型退化為函數指針類型，變得和&g的類型一樣了。而ref_t的類型則是引用，引用綁定則沒有引起類型退化。
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請注意，函數類型乃是個極其特殊的類型，在大多數時候它都會退化為函數指針類型，以便滿足拷貝語義，只有面對引用綁定的時候，能夠維持原來的類型。當然，對于boost::function，總是按值拷貝。
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繼續旅程
function<int(int)>實際上進行了模板偏特化，boost庫給function的類聲明為：
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template<
typename Signature,??//函數類型
typename Allocator = ... //Allocator并非重點，故不作介紹
>?
class function;
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事實上function類只是個薄薄的外覆（wrapper），真正起作用的是其偏特化版本。
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對于function<R(T0)>形式，偏特化版本的function源碼像這樣(實際上在boost源代碼中你看不到模板參數T0的聲明，也看不到function1，它們被宏替換掉了，那些精巧的宏是為了減小可見的代碼量，至于它們的細節則又是一個世界，以下代碼可看作對將那些令人眼花繚亂的宏展開后所得到的代碼，具有更好的可讀性)：
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摘自：”boost/function/function_template.hpp”
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template<typename R,typename T0,typename Allocator>
class function<R(T0),Allocator> //?對R(T0)函數類型的偏特化版本
:public?function1<R,T0,Allocator> //?為R(T0)形式的函數準備的基類
{
typedef?function1<R,T0,Allocator> base_type;
typedef function selftype;
?
struct?clear_type{}; //?馬上你會看到這個蹊蹺的類型定義的作用
?
public:
…
//?模板化的構造函數，為了能夠接受形式兼容的仿函數對象。
//?這個構造函數的作用在下面解釋
template<typename Functor>
??function(Functor f,
typename?enable_if<
?????????????(ice_not<(is_same<Functor, int>::value)>::value),
?????????????int
>::type = 0)
:base_type(f)
{}
?
//?這個構造函數的作用見下文解釋
function(clear_type*) : base_type() {}
???
...
};
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boost::enable_if
你一定對模板構造函數中出現的那個冗長的enable_if<...>的作用心存疑惑，其實它的作用說穿了很簡單，就是：當用戶構造：
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function<int(int)> f(0);
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的時候，將該（帶有enable_if的）構造函數從重載決議的候選集中踢掉。使重載決議的結果為選中第三個構造函數：
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function(clear_type*):base_type(){}
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從而進行缺省構造。
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而說得冗長一點就是：當f的類型——Functor——不是int時，該構造函數就是“有效（enable）”的，會被重載決議選中。但如果用戶提供了一個0，用意是構造一個空(null)的函數指針，那么該函數就會由于“SFINAE”原則而被從重載決議的候選函數中踢掉。為什么要這樣呢？因為該構造函數負責把確切的f保存起來，它假定f并非0。那應該選擇誰呢？第三個構造函數！其參數類型是clear_type*，當然，0可以被賦給任何指針，所以它被選出，執行缺省的構造行為。
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基類?functionN
function的骨架就這些。也許你會問，function作為一個仿函數類，怎么沒有重載operator()——這可是身為仿函數的標志啊！別急，function把這些煩人的任務都丟給了它的基類functionN，根據情況不同，N可能為0，1，2...，說具體一點就是：根據用戶使用function時給出的函數類型，function將會繼承自不同的基類——如果用戶給出的函數類型為“R()”形式的，即僅有一個參數，則function繼承自function0，而對于R(T0)形式的函數類型，則繼承自function1，依此類推。前面說過，function只是一層外覆，而所有的秘密都在其基類functionN中！
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不知道你有沒有發現，function的骨架中也幾乎沒有用到函數類型的信息，事實上，它也將這些信息一股腦兒拋給了基類。在這過程中，混沌一團的int(int)類型被拆解為兩個單獨的模板參數傳給基類:
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template<typename R,typename T0,typename Allocator>
class function<R(T0),Allocator> // R(T0)整個為一類型
:public?function1<R,T0,Allocator> //?拆解為兩個模板參數R,T0傳給基類
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好了，下面我們深入基類function1。真正豐富的寶藏在里面。
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function1
function1的源代碼像這樣(與上面一樣，事實上有些代碼你是看不到的，為了不讓你迷惑，我給出的是將宏展開后得到的代碼):
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摘自：”boost/function/function_template.hpp”
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template<typename R,typename T0,class Allocator = ...>
class?function1
: public?function_base?// function_base負責管理內存
{
...
public:
typedef R result_type;???//返回類型
typedef function1 self_type;
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template<typename Functor>
function1(Functor const & f,
typename enable_if<...>::type = 0)
: function_base(), invoker(0)
{
this->assign_to(f);???//這兒真正進行賦值，assign_to的代碼在下面列出
}
?
template<typename Functor>
void?assign_to(Functor f) //?所有的構造函數都調用它！具有多個重載版本。
{
?????//?以一個get_function_tag萃取出Functor的類別(category)!
typedef typename detail::function::get_function_tag<Functor>::type
tag;
?????
??????//?根據不同類別的Functor采取不同的assign策略！
this->assign_to(f,?tag()); //?轉到真正做事情的assign_to版本，見下文。
}
?
...
result_type?operator()(T0?a0) const //?身為仿函數的標志！
{
...
?
????//?這里進行真正的函數調用，使用invoker，
// invoker是functionN的成員變量，在下面的assign_to中被賦值。
// functor為實際被調用的函數或仿函數，a0當然是其參數。
????internal_result_type?result =?invoker(function_base::functor,?a0);
???
//?將得到的結果cast至最終返回出去的類型
return static_cast<result_type>(result);
}
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其中值得注意的是：
get_function_tag<>能萃取出Functor的類別(category)，有下面幾種類別
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struct function_ptr_tag {}; //?函數指針
struct function_obj_tag {}; //?仿函數對象
struct member_ptr_tag {}; //?成員函數
struct function_obj_ref_tag {}; //?以ref(obj)加以封裝的類別，具有引用語義
struct stateless_function_obj_tag {}; //?無狀態函數對象
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此外，滿足以下所有條件：
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has_trivial_constructor
has_trivial_copy
has_trivial_destructor
is_empty
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的仿函數對象稱為stateless的。
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對于不同的函數類別，assign_to有各個不同的重載版本，如下：
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template<typename FunctionPtr> //?如果是函數指針就調用這個版本
void assign_to(FunctionPtr f,?function_ptr_tag) //?這個版本針對函數指針
{
clear();
???
??if(f){
????typedef
typename ...::get_function_invoker1<
??????????????????FunctionPtr,R,T0>::type
invoker_type; //?萃取相應的invoker
???
invoker = &invoker_type::invoke; //?invoke是一個static成員函數
???
function_base::manager?= //?管理策略，一個函數指針
??????&...::functor_manager<FunctionPtr, Allocator>::manage;
?
//?交給function的函數指針或仿函數對象指針最終在這兒保存
function_base::functor?=
function_base::manager(
...::make_any_pointer((void (*)())(f)),
????????...::clone_functor_tag); //?拷貝一份
}
}
??...
?
??//?any_pointer在下文解釋
typedef internal_result_type(*invoker_type)(...::any_pointer, T0);
?
invoker_type invoker; //?重要成員，負責調用函數！
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}; // function1類定義的結尾
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function的底層存儲機制
請將目光轉向上面的代碼段末尾的assign_to函數中，其中有兩行代碼分別對function_base里的manager和functor成員賦值。這兩行代碼肩負了保存各種函數指針的任務。
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manager是一個函數指針，它所指向的函數代表管理策略，例如，對于函數指針，僅僅作一次賦值，就保存完畢了，但是對于仿函數，得額外分配一次內存，然后將仿函數拷貝到分配的內存中，這才完成了保存的任務。這些策略根據函數的類別而定，上面代碼中的assign_to函數是針對函數指針類別的重載版本，所以manager的策略是不作任何內存分配，直接返回被轉型為“void(*)()”（利于在底層以統一的形式保存）的函數指針就行了，這從代碼中可以看出。
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需要說明的是，對于函數指針，function_base并不知道也不關心它要保存的函數指針是什么確切的類型，只要是函數指針就行，因為它總會把該函數指針f轉型為“void (*)()”類型，然后保存在functor成員中，functor成員是一個union類型:
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union?any_pointer
{
????//?任意仿函數對象指針都可以用static_cast轉型為void*型
void* obj_ptr;
???
????//?為const仿函數準備的
const void* const_obj_ptr;
???
//?任意函數指針都可以用reinterpret_cast轉型為void(*)()型
void (*func_ptr)();
?
char data[1];
};
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這個any_pointer可以通過安全轉型保存所有形式的仿函數和函數指針，承載在底層保存數據的任務
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function的調用機制——invoker
我們把目光轉到function1的定義的最底部，那兒定義了它最重要的成員invoker，它是一個函數指針，所指向的函數就是function的調用機制所在，invoker的類型為：
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typedef internal_result_type (*invoker_type)(any_pointer,T0);
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前面已經說過，any_pointer是個union，可以保存任何類型的函數指針或函數對象，里面保存的是用戶給出的函數或仿函數，T0則是保存于any_pointer中的函數的參數類型（若有兩個參數則是T1,T2）。這也就是說，invoker負責調用保存在any_pointer中的函數或仿函數。
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那么，invoker這個函數指針到底指向什么函數呢——也就是說，在什么時候invoker被賦值了呢？我們再次把目光轉向assign_to函數，其中有一行對invoker成員賦值的語句，從這行語句出發我們可以揭開invoker的全部奧秘：
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invoker = &invoker_type::invoke; // invoke是一個static成員函數
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請不要把這個invoker_type和上面那個函數指針類型invoker_type混淆起來，這個invoker_type是位于assign_to函數中的一個局部的typedef，所以隱藏了后者（即類作用域中的那個invoker_type——invoker成員的類型）。往上一行，你就看到這個局部類型invoker_type的定義了：
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typedef typename?get_function_invoker1<
??????????FunctionPtr,R,T0>::type?invoker_type;
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get_function_invoker1又是何物？很顯然，這是個traits，其內嵌的::type會根據不同的模板參數表現為不同的類型，在本例中，::type的類型將會被推導為
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function_invoker1<int(*)(int),int,int>
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而function_invoker1是個類模板，其定義為：
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template<
typename FunctionPtr,
typename R，typename T0
> //?注意這里的模板參數，后面會解釋
struct function_invoker1
{
static R?invoke(any_pointer function_ptr, T0 a0)
{
FunctionPtr?f?=
reinterpret_cast<FunctionPtr>(function_ptr.func_ptr);
return?f(a0);
}
};
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所以對invoker的賦值最終相當于：
?
invoker = &function_invoker1<int(*)(int),int,int>::invoke;
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而從上面的function_invoker1的定義可以看出，
function_invoker1<int(*)(int),int,int>::invoke是一個靜態成員函數，它被實例化后相當于：
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static int?invoke(any_pointer function_ptr, int a0)
{
//?先轉型，再調用，注意，這一行語句還有一個額外的作用，在后面解釋
int (*f)(int) = reinterpret_cast<int(*)(int)>(function_ptr.func_ptr);
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//?因為f指向的是用戶保存在該function中的函數或仿函數，
//?所以這一行語句進行了最終真正的調用！
return?f(a0);
}
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我們可以看出，在invoke函數中，真正的調用現身了。
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此外，如果用戶當初給出的是仿函數而不是函數指針，則有function_obj_invoker1與它對應，后者也是一個類似的模板，它的invoke靜態成員函數的形式也是：
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static R invoke(any_pointer?function_obj_ptr, T0 a0);
?
其中function_obj_ptr是指向仿函數的指針，所以這個版本的invoke中對它的調用語句是這樣的：
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FunctionObj* f =?(FunctionObj*)(function_obj_ptr.obj_ptr);
return?(*f)(a0); //?調用用戶當初給出的仿函數
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最后一種可能：如果接受的是成員函數怎么辦呢？簡單的答案是：boost::function并沒有為成員函數作任何特殊準備！理由也很簡單，boost::function只要先將成員函數封裝為仿函數，然后將其作為一般的仿函數對待就行了，具體代碼就不列了，STL中有一個函數模板std::mem_fun就是用于封裝成員函數指針的，它返回的是一個仿函數。boost中也對該函數模板做了擴充，使它可以對付任意多個參數的成員函數。
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做一個，送一個——invoker的額外好處
我們注意到function的構造和賦值函數及其基類的構造和賦值函數都是模板函數，這是因為用戶可能提供函數也可能提供仿函數，但最關鍵的還是，functiont提供一種能力：對于function<double(int)>類型的泛型函數指針，用戶可以給它一個int(int)類型的函數——是的，這是可行且安全的，因為其返回值類型int可以安全的轉型為double，而對于這種類型兼容性的檢查就在上面分析的invoke靜態成員函數中，這就是我們要說的額外好處——如果類型兼容，那么invoke函數就能正常編譯通過，但如果用戶給出類型不兼容的函數，就會得到一個錯誤，這個錯誤是在編譯器實例化invoke函數代碼的時候給出的，例如，用戶如果這樣寫：
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//?聲明一個雙參的函數f
RT1 f(P1,P2);
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??//?單參的function實例
function<RT(P)> f_ptr;
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f_ptr = &f; //?類型不兼容，錯誤！
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這就會導致編譯錯誤，錯誤發生在invoke靜態成員函數中。下面我就為你解釋為什么。
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我想你對function_invoker1的三個模板參數仍然心存疑惑，我們再一次來回顧一下其聲明：
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template<
typename FunctionPtr,
typename R，typename T0>
struct function_invoker1
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我們還得把目光投向assign_to模板函數，其中使用function_invoker1的時候是這樣的：
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typedef typename ...::get_function_invoker1<
?????????????????????????FunctionPtr,R,T0>::type invoker_type;
?
FunctionPtr，R，T0三個模板參數將會被原封不動的傳給function_invoker1，那么對于我們上面的錯誤示例，這三個模板參數各是什么呢？
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首先，我們很容易看出，FunctionPtr就是assign_to模板函數的模板參數，也就是用戶傳遞的函數或仿函數的類型，在我們的錯誤示例中，函數f的類型為RT1(P1,P2)，所以
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FunctionPtr?=?RT1(*)(P1,P2)
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而R,T0則是用戶在實例化function模板時給出的模板參數，我們寫的是function<RT(P)>，于是:
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R?=?RT
T0?=?P
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所以，對于我們的錯誤示例，invoker_type的類型為：
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function_invoker1<?RT1(*)(P1,P2),RT,P>
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對于這樣一個function_invoker1，其內部的invoke靜態成員函數被實例化為：
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static RT invoke(any_pointer function_ptr,P a0)
{
??//?注意f的類型
RT1 (*f)(P1,P2) = reinterpret_cast<RT1(*)(P1,P2)>(function_ptr.func_ptr);
???
return f(a0); //錯啦！瞧瞧f的類型，f能接受一個P類型的參數嗎？編譯器在此打住。
}
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看看最后一行語句，所有的檢查都在那里了——我們最終把檢查“委托”給了C++底層的類型系統。
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很精妙不是嗎？雖然在模板形式的assign_to函數中，看起來我們并不關心到底用戶給的參數是何類型，看起來用戶可以把任何函數或仿函數塞過來，但是一旦下面觸及invoker的賦值，就得實例化invoke靜態成員函數，其中的：
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return f(a0);
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一下就把問題暴露出來了！這種把類型檢查延遲到最后，不得不進行的時候，由C++底層的類型系統來負責檢查的手法的確很奇妙——看起來我們沒有在assign_to函數中及時利用類型信息進行類型檢查，但是我們卻并沒有喪失任何類型安全性，一切最終都逃不過C++底層的類型系統的考驗！
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function如何對待成員函數
對于成員函數，assign_to的重載版本只有一行：
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this->assign_to(mem_fn(f));
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mem_fun(f)返回一個仿函數，它封裝了成員函數f，之后一切皆與仿函數無異。
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關于mem_fun的細節，這里就不多說了，大家可以參考STL中的實現，相信很容易看懂，這里只簡單的提醒一下，成員函數封裝的效果是這樣的：
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R (C::*)(T0,T1,...) => R (*)(C*,T0,T1,...)?或?R (*)(C&,T0,T1,...)
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safe_bool慣用手法
如你所知，對于函數指針fptr，我們可以這樣測試它：if(fptr) ...，所以function也應該提供這一特性，然而如果直接重載operator bool()則會導致下面的代碼成為合法的:
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function<int(int)> f;
int?b=f;
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這顯然不妥，所以function用另一個巧妙的手法替代它，既所謂的safe_bool慣用手法，這在function定義內部的源碼如下：
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struct dummy { void nonnull(){};};
typedef void (dummy::*safe_bool)(); //?確保safebool不能轉型為任何其它類型！
operator?safe_bool?() const
{ return (this->empty())? 0 : &dummy::nonnull; }
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這樣，當你寫if(f)的時候，編譯器會找到operator safe_bool()，從而將f轉型為safe_bool，這是個指針類型，if語句會正確判定它是否為空指針。而當你試圖把f賦給其它整型變量的時候則會遭到編譯期的拒絕——因為safe_bool是一個成員指針類型，無法向其它整型轉換。
?
get_function_tag
get_function_tag用于萃取出函數所屬類別(category)，各個類別在源代碼中已經列出，至于它到底是如何萃取的，這與本文關系不是很大，有一點需要提醒一下：函數指針類型也是指針類型，這聽起來完全是句廢話，但是考慮這樣的代碼：
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template<typename T> struct is_pointer{enum{value=0};};
template<typename T> struct is_pointer<T*>{enum{value=1};};
std::cout<<is_pointer<int(*)(int)>::value; //?這將輸出?1
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也就是說int(*)(int)可以與T*形式匹配，匹配時T為int(int)。
?
最后一些細節
1.?我沒有給出function_base的源代碼，實際上那很簡單，它最主要的成員就是一個union any_pointer型的數據成員
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????//?用于統一保存函數指針及仿函數對象指針
detail::function::any_pointer functor;?
?
2.?我沒有給出functor_manager的信息，實際上它與function的實現沒有太大關系，它負責copy和delete函數對象，如果必要的話。所以我將它略去，它的源碼在”boost/function/function_base.hpp”里。
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3.?我給出的源代碼是將宏展開后的版本，實際的代碼中充斥著讓人眼花繚亂的宏，關于那些宏則又是一個奇妙的世界。boost庫通過那些宏省去了許多可見代碼量。隨著函數參數的不同，那些宏會擴展出function2,function3...各個版本。而本文只研究了int(int)型的情況，其它只是參數數目的改變而已。經過宏的擴展，function的偏特化版本將有:
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template<typename R,typename Allocator>
class function<R(),Allocator>:public function0<R,Allocator>
{...};
template<typename R,typename T0,typename Allocator>
class function<R(T0),Allocator>:public function1<R,T0,Allocator>
{...};
template<typename R,typename T0,typename T1,typename Allocator>
class function<R(T0,T1),Allocator>:public function2<R,T0,T1,Allocator>
{...};
...
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等更多版本，一共有BOOST_FUNCTION_MAX_ARGS+1個版本，BOOST_FUNCTION_MAX_ARGS為一個宏，控制最多能夠接受有多少個參數的函數及仿函數對象，你可以重新定義這個宏為一個新值，以控制function所能支持的函數參數個數的最大值。其中的function0,function1,function2等名字也由宏擴展出。
總結
以上是生活随笔為你收集整理的boost源码剖析之：泛型函数指针类boost::function(rev#3)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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