何时使用 std::function 而不是继承？

Question

在某些情况下std::function 可以代替继承。以下两个代码 sn-ps 非常相似（调用函数时的成本大致相同，签名中的用法几乎相同，并且在大多数情况下 std::function 也不需要我们额外复制A） ：

struct Function
{
    virtual int operator()( int ) const =0;
};
struct A
    : public Function
{
    int operator()( int x ) const override { return x; }
};

使用std::function，我们可以将其重写为

using Function = std::function<int (int)>;
struct A
{
    int operator()( int x ) const { return x; }
};

为了更清楚地说明这两个sn-ps是如何关联的：两者都可以按如下方式使用：

int anotherFunction( Function const& f, int x ) { return f( x ) + f( x ); }

int main( int argc, char **argv )
{
    A f;
    anotherFunction( f, 5 );
    return 0;
}

后一种方法更灵活，因为我们不必从某个公共基类派生我们的类。 Function-like 对象之间的唯一关系是基于它们的功能。就面向对象的编程而言，它可能被认为不太干净（但就函数式编程而言，当然不是）。

除此之外，这两种解决方案之间还有其他区别吗？是否有任何通用指南何时使用哪种解决方案，或者这只是个人偏好的问题？是否存在一种解决方案优于另一种解决方案的情况？

Answer 1

先做一个小修正：注意，这是：

int anotherFunction( Function f, int x ) { return f( x ) + f( x ); }

不会使用基于继承的解决方案进行编译，因为Function 是按值获取的并且它是抽象的。另一方面，如果它不是抽象的，你会得到 slicing，这不是你想要的。

相反，您必须通过引用（可能通过引用const）获取您的Function 派生对象才能利用多态性：

int anotherFunction( Function const& f, int x ) { return f( x ) + f( x ); }

而且这不是很像函数式的，所以如果你热衷于函数式编程（就像你看起来那样），你可能会因为这个而想避免它。

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也就是说，这是我要提供的指导方针：

1. 如果可以，请使用模板：

   template<typename F>
   int anotherFunction(F f, int x) { return f(x) + f(x); }
   

   一般来说，当它完全可以使用时，静态（编译时，基于模板）多态性被认为比动态（运行时，基于继承）多态性更可取，因为：

   • 卓越的灵活性：您不必更改类型的定义并让它们派生自一个公共基类，以便它们被通用使用。例如，这允许您编写：

     anotherFunction([] (int x) { return x * 2; }, 42);
     

     还有：

     anotherFunction(myFxn, 42); // myFxn is a regular function
     

     甚至：

     anotherFunction(my_functor(), 42); // my_functor is a class
     

   • 卓越的性能：由于您不是通过虚拟表调用，并且编译器知道函数调用将如何被解析，它可以内联调用来为您提供更好的性能（如果它认为这是合理的）。

2. 如果您不能使用模板，因为要调用的函数将在运行时确定，请使用std::function：

    int anotherFunction(std::function<int (int)> f, int x) 
    { 
        return f(x) + f(x); 
    }
   

   这也将为您提供足够的灵活性来传递 lambda、函数指针、仿函数，基本上是 any 可调用对象。例如，参见this Q&A on StackOverflow。

   相对于基于模板的设计，使用std::function 可能会带来显着的运行时开销，并且对于像您概述的基于硬编码继承的解决方案而言，可能还会带来轻微的开销，但它会给您灵活性和这是一个标准的成语。此外，与往常一样，当性能受到关注时，请进行测量以支持任何假设 - 您可能会得到令人惊讶的结果。

   当您想要存储任何类型的可调用对象以供以后调用时，通常需要采用这种基于std::function 的设计，例如Command design pattern，或者当您有要处理和调用的可调用对象的异构集合时。有关何时使用std::function 而不是模板的讨论，请参阅this Q&A on StackOverflow。

3. 那么什么时候应该使用继承的硬编码设计？好吧，在所有那些 1. 和 2. 不可行的情况下 - 老实说，我现在想不出，但我相信有人可以想出一个极端的案例。请注意，为了使用类似std::function 的习语，C++11 不是必要的，因为 Boost 有一个 boost::function 和一个 boost::bind 实现早于日期（和为 C++11 的 std::function 和 std::bind 提供了灵感。

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TL;DR：使用模板或std::function。