为什么 std::function 不参与重载决议？

Question

我知道下面的代码不会编译。

void baz(int i) { }
void baz() {  }


class Bar
{
    std::function<void()> bazFn;
public:
    Bar(std::function<void()> fun = baz) : bazFn(fun){}

};

int main(int argc, char **argv)
{
    Bar b;
    return 0;
}

因为据说std::function 不考虑重载解决方案，正如我在this other post 中看到的那样。

我不完全理解迫使这种解决方案的技术限制。

我在 cppreference 上阅读了有关 phases of translation 和 templates 的信息，但我想不出任何我找不到反例的推理。向半门外汉解释（对 C++ 还是新手），是什么以及在哪个阶段的翻译导致上述编译失败？

Answer 1

这与“翻译阶段”没有任何关系。纯粹是关于std::function 的构造函数。

请看，std::function<R(Args)> 并不要求给定函数完全属于R(Args) 类型。特别是，它不需要给它一个函数指针。它可以采用任何可调用类型（成员函数指针，一些具有operator() 重载的对象），只要它是可调用的就好像它采用了Args 参数并返回一些可转换的到 R（或者如果R 是void，它可以返回任何东西）。

为此，std::function 的适当构造函数必须是 模板：template<typename F> function(F f);。也就是说，它可以采用任何函数类型（受上述限制）。

表达式baz 表示一个重载集。如果您使用该表达式来调用重载集，那很好。如果将该表达式用作接受特定函数指针的函数的参数，C++ 可以将重载集减少为单个调用，从而使其正常。

但是，一旦函数是模板，并且您使用模板实参推导来确定该参数是什么，C++ 就不再能够确定重载集中正确的重载是什么。所以必须直接指定。

Answer 2

仅当 (a) 您正在调用函数/运算符的名称，或 (b) 将其强制转换为具有显式签名的指针（指向函数或成员函数）时，才会发生重载解析。

这里都没有发生。

std::function 接受任何与其签名兼容的对象。它不需要专门的函数指针。 （lambda 不是 std 函数，std 函数也不是 lambda）

现在在我的自制函数变体中，对于签名 R(Args...)，我也接受 R(*)(Args...) 参数（完全匹配）正是出于这个原因。但这意味着它将“完全匹配”签名提升到“兼容”签名之上。

核心问题是重载集不是 C++ 对象。您可以命名重载集，但不能“本地”传递它。

现在，您可以像这样创建一个函数的伪重载集：

#define RETURNS(...) \
  noexcept(noexcept(__VA_ARGS__)) \
  -> decltype(__VA_ARGS__) \
  { return __VA_ARGS__; }

#define OVERLOADS_OF(...) \
  [](auto&&...args) \
  RETURNS( __VA_ARGS__(decltype(args)(args)...) )

这会创建一个可以对函数名进行重载解析的单个 C++ 对象。

扩展宏，我们得到：

[](auto&&...args)
noexcept(noexcept( baz(decltype(args)(args)...) ) )
-> decltype( baz(decltype(args)(args)...) )
{ return baz(decltype(args)(args)...); }

这写起来很烦人。这里有一个更简单但用处稍差的版本：

[](auto&&...args)->decltype(auto)
{ return baz(decltype(args)(args)...); }

我们有一个接受任意数量参数的 lambda，然后将它们完美转发到 baz。

然后：

class Bar {
  std::function<void()> bazFn;
public:
  Bar(std::function<void()> fun = OVERLOADS_OF(baz)) : bazFn(fun){}
};

有效。我们将重载解析推迟到我们存储在 fun 中的 lambda 中，而不是直接传递 fun 重载集（它无法解析）。

至少有一个提议要在 C++ 语言中定义一个将函数名转换为重载集对象的操作。在这样的标准提案出现在标准中之前，OVERLOADS_OF 宏很有用。

您可以更进一步，支持强制转换为兼容函数指针。

struct baz_overloads {
  template<class...Ts>
  auto operator()(Ts&&...ts)const
  RETURNS( baz(std::forward<Ts>(ts)...) );

  template<class R, class...Args>
  using fptr = R(*)(Args...);
  //TODO: SFINAE-friendly support
  template<class R, class...Ts>
  operator fptr<R,Ts...>() const {
    return [](Ts...ts)->R { return baz(std::forward<Ts>(ts)...); };
  }
};

但这开始变得迟钝了。

Live example.

#define OVERLOADS_T(...) \
  struct { \
    template<class...Ts> \
    auto operator()(Ts&&...ts)const \
    RETURNS( __VA_ARGS__(std::forward<Ts>(ts)...) ); \
\
    template<class R, class...Args> \
    using fptr = R(*)(Args...); \
\
    template<class R, class...Ts> \
    operator fptr<R,Ts...>() const { \
      return [](Ts...ts)->R { return __VA_ARGS__(std::forward<Ts>(ts)...); }; \
    } \
  }

Answer 3

这里的问题是没有告诉编译器如何执行指针衰减函数。如果你有

void baz(int i) { }
void baz() {  }

class Bar
{
    void (*bazFn)();
public:
    Bar(void(*fun)() = baz) : bazFn(fun){}

};

int main(int argc, char **argv)
{
    Bar b;
    return 0;
}

那么代码就可以工作了，因为现在编译器知道你想要哪个函数，因为你要分配一个具体的类型。

当您使用std::function 时，您将其称为函数对象构造函数，其形式为

template< class F >
function( F f );

而且由于是模板，所以需要推导出传入的对象的类型。因为baz 是一个重载函数，所以没有可以推导的单一类型，因此模板推导失败并出现错误。你必须使用

Bar(std::function<void()> fun = (void(*)())baz) : bazFn(fun){}

强制单一类型并允许扣除。

Answer 4

此时编译器正在决定将哪个重载传递给std::function 构造函数，它所知道的是std::function 构造函数被模板化为采用任何类型。它没有能力尝试两个重载，发现第一个不编译，而第二个可以。

解决此问题的方法是使用static_cast 明确告诉编译器您想要哪个重载：

Bar(std::function<void()> fun = static_cast<void(*)()>(baz)) : bazFn(fun){}