c++ - 将任何 lambda 函数(包括捕获 lambda)转换为 std::function 对象的模板

Question

我有以下代码可以将 lambda 转换为 C 风格的函数指针。这适用于所有 lambda，包括带有捕获的 lambda。

#include <iostream>
#include <type_traits>
#include <utility>

template <typename Lambda>
struct lambda_traits : lambda_traits<decltype(&Lambda::operator())>
{};

template <typename Lambda, typename Return, typename... Args>
struct lambda_traits<Return(Lambda::*)(Args...)> : lambda_traits<Return(Lambda::*)(Args...) const>
{};

template <typename Lambda, typename Return, typename... Args>
struct lambda_traits<Return(Lambda::*)(Args...) const>
{
    using pointer = typename std::add_pointer<Return(Args...)>::type;

    static pointer to_pointer(Lambda&& lambda)
    {
        static Lambda static_lambda = std::forward<Lambda>(lambda);
        return [](Args... args){
            return static_lambda(std::forward<Args>(args)...);
        };
    }
};

template <typename Lambda>
inline typename lambda_traits<Lambda>::pointer to_pointer(Lambda&& lambda)
{
    return lambda_traits<Lambda>::to_pointer(std::forward<Lambda>(lambda));
}

这可以如下使用，将带有捕获的 lambda 传递给 C 风格的 API:

// Function that takes a C-style function pointer as an argument
void call_function(void(*function)())
{
    (*function)();
}

int main()
{
    int x = 42;

    // Pass the lambda to the C-style API
    // This works even though the lambda captures 'x'!
    call_function(to_pointer([x] {
        std::cout << x << std::endl;
        }));
}

鉴于此，编写一个可以将 lambdas(包括带有捕获的 lambdas)一般转换为 std::function 的类似模板似乎应该相对简单。对象，但我正在努力弄清楚如何。 (我对模板元编程技术不是很熟悉，所以我有点迷茫)
这是我尝试过的，但它无法编译:

template <typename Lambda>
struct lambda_traits : lambda_traits<decltype(&Lambda::operator())>
{};

template <typename Lambda, typename Return, typename... Args>
struct lambda_traits<typename std::function<Return(Args...)>> : lambda_traits<typename std::function<Return(Args...)> const>
{};

template <typename Lambda, typename Return, typename... Args>
struct lambda_traits<typename std::function<Return(Args...)> const>
{
    using pointer = typename std::function<Return(Args...)>*;

    static pointer to_pointer(Lambda&& lambda)
    {
        static Lambda static_lambda = std::forward<Lambda>(lambda);
        return [](Args... args) {
            return static_lambda(std::forward<Args>(args)...);
        };
    }
};

template <typename Lambda>
inline typename lambda_traits<Lambda>::pointer to_pointer(Lambda&& lambda)
{
    return lambda_traits<Lambda>::to_pointer(std::forward<Lambda>(lambda));
}

这无法编译并说 Lambda部分特化未使用模板参数。
这样做的正确方法是什么？
(注意，我坚持使用与 C++11 兼容的编译器，因此 C++14 及更高版本的功能不可用)

Answer 1

如果要将可调用对象转换为 std::function未指定 std::function 的签名，这正是C++17's deduction guides for std::function 是给。我们只需要为 C++11 实现一个版本。请注意，这只适用于具有非重载 operator() 的可调用对象。 ;否则，没有办法做到这一点。

#include <functional>
#include <utility> // std::declval

// Using these functions just for the return types, so they don't need an implementation.

// Support function pointers
template <typename R, typename... ArgTypes>
auto deduce_std_function(R(*)(ArgTypes...)) -> std::function<R(ArgTypes...)>;

// Support callables (note the _impl on the name).
// Many overloads of this to support different const qualifiers and
// ref qualifiers. Technically should also support volatile, but that
// doubles the number of overloads and isn't needed for this illustration.
template <typename F, typename R, typename... ArgTypes>
auto deduce_std_function_impl(R(F::*)(ArgTypes...)) -> std::function<R(ArgTypes...)>;

template <typename F, typename R, typename... ArgTypes>
auto deduce_std_function_impl(R(F::*)(ArgTypes...) const) -> std::function<R(ArgTypes...)>;

template <typename F, typename R, typename... ArgTypes>
auto deduce_std_function_impl(R(F::*)(ArgTypes...) &) -> std::function<R(ArgTypes...)>;

template <typename F, typename R, typename... ArgTypes>
auto deduce_std_function_impl(R(F::*)(ArgTypes...) const&) -> std::function<R(ArgTypes...)>;

template <typename F, typename R, typename... ArgTypes>
auto deduce_std_function_impl(R(F::*)(ArgTypes...) &&) -> std::function<R(ArgTypes...)>;

template <typename F, typename R, typename... ArgTypes>
auto deduce_std_function_impl(R(F::*)(ArgTypes...) const&&) -> std::function<R(ArgTypes...)>;

// To deduce the function type for a callable, get its operator() and pass that to
// the _impl functions above.
template <typename Function>
auto deduce_std_function(Function)
    -> decltype(deduce_std_function_impl(&Function::operator()));

template <typename Function>
using deduce_std_function_t = decltype(deduce_std_function(std::declval<Function>()));

template <typename F>
auto to_std_function(F&& fn) -> deduce_std_function_t<F> {
    return deduce_std_function_t<F>(std::forward<F>(fn));
}

Demo

更详细的解释
我们需要推导出 std::function<...> 的函数类型。 .所以我们需要实现某种deduce_std_function找出函数类型。有几个选项可以实现这一点:

制作 function_traits type 为我们计算出函数类型(类似于您的 lambda_traits )。

实现deduce_std_function作为重载集，其中重载的返回类型是推导的类型。

我选择后者是因为它模仿了演绎指南。前者也可以，但我认为这种方法可能更容易(函数样板小于结构样板)。
简单的案例
查看 std::function 的文档的演绎指南，有一个简单的:

template<class R, class... ArgTypes>
function(R(*)(ArgTypes...)) -> function<R(ArgTypes...)>;

这可以很容易地翻译:

template <typename R, typename... ArgTypes>
auto deduce_std_function(R(*)(ArgTypes...)) -> std::function<R(ArgTypes...)>;

基本上，给定任何函数指针 R(*)(ArgTypes...) ，我们想要的类型是std::function<R(ArgTypes...)> .
更棘手的案例
该文档将第二种情况说明为:

This overload only participates in overload resolution if &F::operator() is well-formed when treated as an unevaluated operand and decltype(&F::operator()) is of the form R(G::*)(A...) (optionally cv-qualified, optionally noexcept, optionally lvalue reference qualified) for some class type G. The deduced type is std::function<R(A...)>.

那是一口。但是，这里的关键思想是:

"decltype(&F::operator()) 的形式为 R(G::*)(A...)"

"推导出的类型是std::function<R(A...)>"

这意味着我们需要获取 operator() 的成员函数指针。并使用该指向成员函数的签名作为 std::function 的签名.
这就是它的来源:

template <typename Function>
auto deduce_std_function(Function)
    -> decltype(deduce_std_function_impl(&Function::operator()));

我们委托(delegate)给 deduce_std_function_impl因为我们需要推断成员函数指针的签名&Function::operator() .
该 impl 函数的有趣重载是:

template <typename F, typename R, typename... ArgTypes>
auto deduce_std_function_impl(R(F::*)(ArgTypes...)) -> std::function<R(ArgTypes...)>;

简而言之，我们正在获取指向成员函数的指针的签名(R ... (ArgTypes...) 位)并将其用于 std::function。 .语法的其余部分((F::*) 位)只是指向成员函数的语法。 R(F::*)(ArgTypes...)是类 F 的成员函数指针的类型带有签名R(ArgTypes...)并且没有 const、volatile 或引用限定符。
可是等等!我们希望支持 const 和引用限定符(您也可能希望添加对 volatile 的支持)。所以我们需要复制deduce_std_function_impl上面，每个限定符一次:


签名
类声明

R(F::*)(ArgTypes...)void operator()();R(F::*)(ArgTypes...) constvoid operator()() const;R(F::*)(ArgTypes...) &void operator()() &;R(F::*)(ArgTypes...) const&void operator()() const&;R(F::*)(ArgTypes...) &&void operator()() &&;R(F::*)(ArgTypes...) const&&void operator()() const&&;