使用C++20概念避免std::function

Question

在过去，当我想要一个回调函数参数时，我通常决定使用 std::function。 在极少数情况下，当我绝对不使用捕获时，我会使用 typedef来进行函数声明。

因此，通常我的带有回调参数的声明看起来像这样：

struct Socket
{
  void on_receive(std::function<void(uint8_t*, unsigned long)> cb);
}

据我所知，std::function 在运行时会执行一些操作，因为它需要将 lambda 函数及其捕获值解析到 std::function 模板，并移动/复制其捕获值 (?)。

阅读有关新的 C++ 20 功能的文章后，我发现可以使用概念来避免使用 std::function，并对可行的函数对象使用约束参数。

这就是我的问题所在：由于我希望在将来的某个时间使用回调函数对象，我必须存储它们。由于我没有确定的回调类型，我最初的想法是将该函数复制（最终在某个时刻移动）到堆上，并使用 std::vector<void*> 来标记它们的位置。

template<typename Functor>
concept ReceiveCallback = std::is_invocable_v<Functor, uint8_t*, unsigned long>
                       && std::is_same_v<typename std::invoke_result<Functor, uint8_t*, unsigned long>::type, void>
                       && std::is_copy_constructible_v<Functor>;
struct Socket
{
  std::vector<void*> callbacks;

  template<ReceiveCallback TCallback>
  void on_receive(TCallback const& callback)
  {
    callbacks.push_back(new TCallback(callback));
  }
}

int main(int argc, char** argv)
{
  Socket* sock;
  // [...] inialize socket somehow

  sock->on_receive([](uint8_t* data, unsigned long length)
                   {
                     // NOP for now
                   });

  // [...]
}

尽管这种方法运行良好，但当实现调用函数对象的方法时，我注意到我只是推迟了未知/缺失类型的问题。据我所知，将 void* 强制转换为函数指针或类似的黑科技应该会产生 UB - 编译器怎么知道我实际上正在尝试调用完全未知的类的 operator()？

我考虑将（复制的）函数对象与指向其 operator() 定义的函数指针一起存储，但我不知道如何将函数对象注入函数作为 this，没有它，我怀疑捕获也不能正常工作。

我另一个想法是声明一个纯虚接口，它声明所需的 operator() 函数。不幸的是，我的编译器禁止我将我的函数对象强制转换为接口，并且我认为让 lambda 从接口派生也没有合法的方法。

那么，是否有一种方法可以解决这个问题，或者我可能误用了模板要求/概念功能？

- Link64

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在我看来，你遇到的问题恰好是std::function旨在解决的。 - Kevin

如果你必须要存储它们，那么为了让它工作，你就得删除类型，并使用std::function。在这种情况下，这不是不必要的开销，因为你确实需要它。 - Barry

在这种情况下，开销在哪里？有没有一种方法可以实现function及其所有行为（即能够存储任意可复制的可调用对象），而不需要上述开销？如果有，那么这不是“开销”；这只是拥有该功能的代价。你要么满足于将接口限制为仅函数指针，要么不满足。如果你不满足，那么使其成为可能的代价不是“开销”。 - Nicol Bolas

@ Kevin 我想你是正确的 :/ - Link64

@SergeyA：如果这个替代实现提供了std::function 100%的接口，那么问题在于你的标准库对std::function的实现，而不是类型本身。 - Nicol Bolas

Answer 1

你最初的版本使用 std::function，恰好是因为它擦除了类型。如果你想要类型擦除（而且显然你确实希望如此，因为你希望用户能够使用任何类型，而不需要你的代码明确知道那个类型是什么），那么你需要某种形式的类型擦除。但类型擦除并不是免费的。

约束是用于模板的。你不想要一个模板函数；你想要一个处理类型擦除可调用对象的单个函数。

对于必须超出提供程序调用堆栈生存期的回调，std::function 的开销基本上就是你所需的。也就是说，“开销”不是无意义的；它允许你在回调处理器中存储任意、未知类型的对象。

- Nicol Bolas