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));
}

这可用于将带有捕获的 lambda 传递到 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 对象的类似模板似乎应该相对简单，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，所以有点迷茫）

这是我尝试过的，但是编译失败：

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));
}

这编译失败并说Lambda模板参数没有被部分特化使用。

这样做的正确方法是什么？

（注意，我一直在使用兼容 C++11 的编译器，因此无法使用 C++14 及更高版本的功能）

Answer 1

如果您想将可调用对象转换为std::function 而不指定std::function 的签名，这正是C++17's deduction guides for std::function 的用途。我们只需要为 C++11 实现一个版本。请注意，这仅适用于具有非重载 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

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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 来确定函数类型。有几种实现方式：

• 创建一个function_traits 类型，它可以为我们确定函数类型（类似于您的lambda_traits）。
• 将deduce_std_function 实现为重载集，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）。

简单案例

查看std::function的演绎指南的文档，有一个简单的：

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

这很容易翻译：

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...)>。

更棘手的情况

文档将第二种情况描述为：

此重载仅在以下情况下参与重载决议 &F::operator() 被视为未计算的操作数时格式正确 decltype(&F::operator()) 的形式为 R(G::*)(A...)（可选 cv 限定，可选 noexcept，可选左值引用 合格）对于某些类类型 G。推导的类型是 std::function<R(A...)>.

这是一口。然而，这里的关键思想是碎片：

• "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() 的指向成员函数的指针，并将该指向成员函数的签名用作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()));

我们委托给deduce_std_function_impl，因为我们需要推导出指向成员函数&Function::operator()的签名。

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 F 类的成员函数指针类型，其签名为 R(ArgTypes...)，没有 const、volatile 或引用限定符。

但是等等！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）。所以我们需要复制上面的deduce_std_function_impl，每个限定符一次：

Signature	Class Declaration
R(F::*)(ArgTypes...)	void operator()();
R(F::*)(ArgTypes...) const	void 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&&;