std::function

本節解決什麼問題

普通函數、函數指針、Lambda、函數對象都可以"被調用"，它們統稱爲可調用對象。但它們的具體類型並不一樣：

• 普通函數有函數類型。
• 函數指針是指針類型。
• 每個 Lambda 都有編譯器生成的獨立類型。
• 函數對象是自定義類類型。

如果你只是立刻調用一次，類型不同通常不是問題；但如果你要把回調保存到成員變量裏，或者把多個不同回調放進同一個容器裏，就需要一個統一類型。

std::function 就是標準庫提供的通用可調用對象包裝器。

這個特性是什麼

std::function<返回值(参数列表)> 可以保存任何簽名匹配的可調用對象。

例如 std::function<int(int, int)> 表示：保存一個可以用兩個 int 調用，並返回 int 的可調用對象。

C++ 標準版本

std::function 從 C++11 開始提供，需要頭文件 <functional>。

常見場景

示例代碼

示例 1：統一保存不同類型的可調用對象

#include <functional>
#include <iostream>

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

struct Multiply
{
    int operator()(int a, int b) const
    {
        return a * b;
    }
};

int main()
{
    // 程序从 main 函数开始执行，下面的语句会按顺序运行。
    // std::function 可以保存普通函数、lambda 或函数对象。
    std::function<int(int, int)> op;

    op = add;
    std::cout << "add: " << op(3, 4) << "\n";

    int (*function_pointer)(int, int) = add;
    op = function_pointer;
    std::cout << "function pointer: " << op(5, 6) << "\n";

    op = [](int a, int b) {
        return a - b;
    };
    std::cout << "lambda: " << op(10, 3) << "\n";

    op = Multiply{};
    std::cout << "function object: " << op(7, 8) << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

add: 7
function pointer: 11
lambda: 7
function object: 56

示例 2：把 std::function 作爲參數傳遞迴調

這個例子中，calculate 不關心具體傳進來的是普通函數還是 lambda，只要求籤名是 int(int, int)。

#include <functional>
#include <iostream>

int add(int a, int b)
{
    return a + b;
}

// std::function 可以保存普通函数、lambda 或函数对象。
int calculate(int a, int b, const std::function<int(int, int)>& op)
{
    return op(a, b);
}

int main()
{
    // 程序从 main 函数开始执行，下面的语句会按顺序运行。
    int x = 10;
    int y = 5;

    int r1 = calculate(x, y, add);
    std::cout << "add result = " << r1 << "\n";

    int r2 = calculate(x, y, [](int a, int b) {
        return a * b;
    });
    std::cout << "multiply result = " << r2 << "\n";

    int offset = 100;
    int r3 = calculate(x, y, [offset](int a, int b) {
        return a + b + offset;
    });
    std::cout << "with offset result = " << r3 << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

add result = 15
multiply result = 50
with offset result = 115

示例 3：把回調保存到類成員變量

函數指針不能保存有捕獲的 lambda；std::function 可以，所以它非常適合保存事件回調。

#include <functional>
#include <iostream>
#include <string>
#include <utility>

class Button
{
    // std::function 可以保存普通函数、lambda 或函数对象。
    std::function<void()> on_click_;

public:
    void set_on_click(std::function<void()> callback)
    {
        on_click_ = std::move(callback);
    }

    void click() const
    {
        if (on_click_)
        {
            on_click_();
        }
        else
        {
            std::cout << "no callback\n";
        }
    }
};

int main()
{
    // 程序从 main 函数开始执行，下面的语句会按顺序运行。
    Button button;

    button.click();

    std::string name = "Save";
    int count = 0;

    button.set_on_click([name, &count]() {
        ++count;
        std::cout << name << " clicked, count = " << count << "\n";
    });

    button.click();
    button.click();

    return 0;
}

運行結果：

no callback
Save clicked, count = 1
Save clicked, count = 2

這裏按值捕獲 name，按引用捕獲 count。因爲 button 和 count 都在 main 中，count 活得比回調調用更久，所以這個例子是安全的。真實異步場景中，保存回調時要更謹慎地處理生命週期。

示例 4：把多個不同回調放進同一個容器

每個 Lambda 的類型都不同，不能直接放進同一個 vector。用 std::function<void()> 之後，它們就有了統一類型。

#include <functional>
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>

int main()
{
    // 程序从 main 函数开始执行，下面的语句会按顺序运行。
    // std::function 可以保存普通函数、lambda 或函数对象。
    // vector 是动态数组，元素数量可以在运行时变化。
    std::vector<std::function<void()>> tasks;

    int total = 0;
    std::string label = "task";

    tasks.push_back([label]() {
        std::cout << label << " A\n";
    });

    tasks.push_back([&total]() {
        total += 10;
        std::cout << "add 10, total = " << total << "\n";
    });

    tasks.push_back([&total]() {
        total *= 2;
        std::cout << "double, total = " << total << "\n";
    });

    for (const auto& task : tasks)
    {
        task();
    }

    std::cout << "final total = " << total << "\n";

    return 0;
}

運行結果：

task A
add 10, total = 10
double, total = 20
final total = 20

示例 5：隻立刻調用時，模板參數也可以接收回調

std::function 的優勢是"保存和統一類型"。如果只是立刻調用，不需要保存，函數模板通常更輕量。

#include <iostream>

template<typename Callback>
void repeat(int times, Callback callback)
{
    for (int i = 0; i < times; ++i)
    {
        callback(i);
    }
}

int main()
{
    // 程序从 main 函数开始执行，下面的语句会按顺序运行。
    repeat(3, [](int i) {
        std::cout << "i = " << i << "\n";
    });

    // 返回 0 表示程序正常结束。
    return 0;
}

運行結果：

i = 0
i = 1
i = 2

關鍵語法解釋

std::function 和 Lambda 的關係

Lambda 是一種可調用對象，std::function 是用來保存可調用對象的包裝器。它們不是互相替代的關係。

常見錯誤

1. 空的 std::function 直接調用。調用前先判斷 if (callback)。
2. 簽名不匹配。比如回調需要 int(int, int)，就不能傳入只接收一個參數的可調用對象。
3. 保存回調時引用捕獲了已經銷燬的局部變量。
4. 只需要臨時調用一次，也把參數寫成 std::function，在性能敏感代碼中會產生不必要開銷。
5. 以爲成員函數可以直接賦給 std::function<void(int)>。非靜態成員函數還需要對象，下一節會用 std::bind 和 Lambda 解決這個問題。

使用建議

1. 需要保存回調時，用 std::function。
2. 需要統一不同類型的回調時，用 std::function。
3. 只是立刻調用一次回調時，可以優先考慮模板參數。
4. 保存回調時特別注意捕獲對象的生命週期。
5. 不要把 std::function 當成所有回調場景的唯一答案，它是清晰性和靈活性的工具，也有一定運行期開銷。

小結

• 可調用對象包括普通函數、函數指針、Lambda、函數對象等。
• std::function<返回值(参数...)> 用統一類型保存簽名匹配的可調用對象。
• std::function 適合保存回調、作爲成員變量、放入容器。
• 空的 std::function 不能調用。
• 只臨時調用一次的回調，模板參數通常更輕量。