如何正确转发 Invocable 类型

Question

我真的很喜欢使用cmcstl2，这是 Ranges TS 的一个实现。我特别喜欢每个 STL 算法的可选投影。 Invocable 类型会像这样被转发（嗯……与否）：(min_element.hpp)

template <ForwardIterator I, Sentinel<I> S,
    class Comp = less<>, class Proj = identity>
requires
    IndirectStrictWeakOrder<
        Comp, projected<I, Proj>>()
I min_element(I first, S last, Comp comp = Comp{}, Proj proj = Proj{});

template <ForwardRange Rng, class Comp = less<>, class Proj = identity>
requires
    IndirectStrictWeakOrder<
        Comp, projected<iterator_t<Rng>, Proj>>()
safe_iterator_t<Rng>
min_element(Rng&& rng, Comp comp = Comp{}, Proj proj = Proj{})
{
    return __stl2::min_element(__stl2::begin(rng), __stl2::end(rng),
        __stl2::ref(comp), __stl2::ref(proj));
}

作为参考：range-v3 库是这样实现的：(min_element.hpp)

struct min_element_fn {
        template<typename I, typename S, typename C = ordered_less, typename P = ident,
            CONCEPT_REQUIRES_(ForwardIterator<I>() && Sentinel<S, I>() &&
                IndirectRelation<C, projected<I, P>>())>
        I operator()(I begin, S end, C pred = C{}, P proj = P{}) const;

        template<typename Rng, typename C = ordered_less, typename P = ident,
            typename I = range_iterator_t<Rng>,
            CONCEPT_REQUIRES_(ForwardRange<Rng>() &&
                IndirectRelation<C, projected<I, P>>())>
        range_safe_iterator_t<Rng> operator()(Rng &&rng, C pred = C{}, P proj = P{}) const
        {
            return (*this)(begin(rng), end(rng), std::move(pred), std::move(proj));
        }
};

现在我尝试理解这两种方法的区别和推理。 我为什么要按值取 Invocable 类型？ 为什么我不应该对这些类型使用完美转发？

我比第一种方法更了解第二种方法，因为我了解按值获取接收器参数的方法。

Answer 1

两个原因：

1. 我对标准库规范的解读是，算法可以根据需要多次复制用户函数对象，但被指定为在单个实例上执行所有调用。由于 cmcstl2 经常根据其他算法实现算法，因此满足该要求的最简单方法是通过 reference_wrapper 在内部传递函数对象。例如，binary_search 调用lower_bound，然后确定下限表示的元素是否完全匹配。它将reference_wrappers 传递给比较函数对象，并将函数对象传递给lower_bound，以便以后可以调用相同的实例。

2. 大型和/或可变函数对象可能很少见，但没有理由必须在标准库中对它们提供较差的支持。复制通常很便宜，移动几乎总是如此，但通过引用传递“从不”昂贵。 cmcstl2 最小化用户函数对象的两个副本和移动。 （“never”上的引号表示通过引用传递给优化器带来了相当大的负载，增加了编译时间，并且如果别名分析被函数对象引用混淆，则可能在极端情况下生成糟糕的代码。）

这个推理有一些明显的漏洞。对我来说最重要的是“如果函数对象可能有用地是有状态的，那么算法不应该像std::for_each那样返回它们以保持该状态吗？” cmcstl2 的设计本质上违反了 Elements of Programming 所说的“有用回报法则”。我们是否应该使标准算法的签名复杂化以返回多达三个函数对象——比如一个比较器和两个投影——以适应 0.1% 的用例？我认为这里的明显答案是“不”，特别是考虑到解决方法非常简单：传递reference_wrapper。

那么，当解决方法同样是传递reference_wrapper 时，为什么通常 cmcstl2（尤其是标准 C++ 的 std::for_each）要竭尽全力容纳大型和/或可变函数对象？看来 cmcstl2 的设计者在这里犯了和 LWG 一样的错误，他们让 std::for_each 返回其函数对象。

Answer 2

传统的做法是按值获取Invocable，因为它们往往有一个小的sizeof，例如在函数指针或带有少量捕获的lambda 中。根据 ABI，此类函数参数在机器寄存器中传递，或者在 less 或 identity 的情况下完全消除。另一方面，通过引用传递往往会促使编译器将真实对象放入 RAM。

较大的对象，或具有重要可变状态的对象，可以通过std::ref 传递。生成的 std::reference_wrapper 可以轻松复制，并且与指针一样大，因此可以有效地按值传递。