键入erase down to function call signature而不会浪费内存分配的风险？

Question

我想要一些可以使用任何可调用对象的代码，我不想在头文件中公开实现。

我不想冒险在堆或免费存储上分配内存（冒险和性能损失的风险，或者我在没有访问堆的代码中）。

没有值语义可能已经足够了：通常在当前范围结束之前完成的调用。但是价值语义如果不是太昂贵可能会有用。

我该怎么办？

现有解决方案存在问题。 std::function分配并具有值语义，而原始函数指针缺乏传输状态的能力。传递C风格函数指针 - 无效指针对对于调用者来说是一种痛苦。如果我确实需要值语义，那么C风格的函数指针实际上并不起作用。

Answer 1

我们可以通过做C风格的vtable来使用没有分配的类型擦除。

首先，私有命名空间中的vtable详细信息：

namespace details {
  template<class R, class...Args>
  using call_view_sig = R(void const volatile*, Args&&...);

  template<class R, class...Args>
  struct call_view_vtable {
    call_view_sig<R, Args...> const* invoke = 0;
  };

  template<class F, class R, class...Args>
  call_view_sig<R, Args...>const* get_call_viewer() {
    return [](void const volatile* pvoid, Args&&...args)->R{
      F* pf = (F*)pvoid;
      return (*pf)(std::forward<Args>(args)...);
    };
  }
  template<class F, class R, class...Args>
  call_view_vtable<R, Args...> make_call_view_vtable() {
    return {get_call_viewer<F, R, Args...>()};
  }

  template<class F, class R, class...Args>
  call_view_vtable<R, Args...>const* get_call_view_vtable() {
    static const auto vtable = make_call_view_vtable<F, R, Args...>();
    return &vtable;
  }
}

模板iteslf。它被称为call_view<Sig>，类似于std::function<Sig>：

template<class Sig>
struct call_view;
template<class R, class...Args>
struct call_view<R(Args...)> {
  // check for "null":
  explicit operator bool() const { return vtable && vtable->invoke; }

  // invoke:
  R operator()(Args...args) const {
    return vtable->invoke( pvoid, std::forward<Args>(args)... );
  }

  // special member functions.  No need for move, as state is pointers:
  call_view(call_view const&)=default;
  call_view& operator=(call_view const&)=default;
  call_view()=default;

  // construct from invokable object with compatible signature:
  template<class F,
    std::enable_if_t<!std::is_same<call_view, std::decay_t<F>>{}, int> =0
    // todo: check compatibility of F
  >
  call_view( F&& f ):
    vtable( details::get_call_view_vtable< std::decay_t<F>, R, Args... >() ),
    pvoid( std::addressof(f) )
  {}

private:
  // state is a vtable pointer and a pvoid:
  details::call_view_vtable<R, Args...> const* vtable = 0;
  void const volatile* pvoid = 0;
};

在这种情况下，vtable有点多余;一个只包含指向单个函数的指针的结构。当我们有多个操作时，我们正在擦除这是明智的;在这种情况下，我们没有。

我们可以用一个操作替换vtable。上面vtable工作的一半可以删除，实现更简单：

template<class Sig>
struct call_view;
template<class R, class...Args>
struct call_view<R(Args...)> {
  explicit operator bool() const { return invoke; }
  R operator()(Args...args) const {
    return invoke( pvoid, std::forward<Args>(args)... );
  }

  call_view(call_view const&)=default;
  call_view& operator=(call_view const&)=default;
  call_view()=default;

  template<class F,
    std::enable_if_t<!std::is_same<call_view, std::decay_t<F>>{}, int> =0
  >
  call_view( F&& f ):
    invoke( details::get_call_viewer< std::decay_t<F>, R, Args... >() ),
    pvoid( std::addressof(f) )
  {}

private:
  details::call_view_sig<R, Args...> const* invoke = 0;
  void const volatile* pvoid = 0;
};

它仍然有效。

通过一些重构，我们可以从存储中拆分调度表（或函数）（所有权与否），从擦除的操作类型中拆分类型擦除的值/引用语义。

作为一个例子，一个只移动的拥有可调用的应该重用几乎所有上面的代码。事实上，类型被删除的数据存在于智能指针中，void const volatile*或std::aligned_storage可以与您对被删除类型的对象的操作分开。

如果需要值语义，可以按如下方式扩展类型擦除：

namespace details {
  using dtor_sig = void(void*);

  using move_sig = void(void* dest, void*src);
  using copy_sig = void(void* dest, void const*src);

  struct dtor_vtable {
    dtor_sig const* dtor = 0;
  };
  template<class T>
  dtor_sig const* get_dtor() {
    return [](void* x){
      static_cast<T*>(x)->~T();
    };
  }
  template<class T>
  dtor_vtable make_dtor_vtable() {
    return { get_dtor<T>() };
  }
  template<class T>
  dtor_vtable const* get_dtor_vtable() {
    static const auto vtable = make_dtor_vtable<T>();
    return &vtable;
  }

  struct move_vtable:dtor_vtable {
    move_sig const* move = 0;
    move_sig const* move_assign = 0;
  };
  template<class T>
  move_sig const* get_mover() {
    return [](void* dest, void* src){
        ::new(dest) T(std::move(*static_cast<T*>(src)));
    };
  }
  // not all moveable types can be move-assigned; for example, lambdas:
  template<class T>
  move_sig const* get_move_assigner() {
    if constexpr( std::is_assignable<T,T>{} )
      return [](void* dest, void* src){
        *static_cast<T*>(dest) = std::move(*static_cast<T*>(src));
      };
    else
      return nullptr; // user of vtable has to handle this possibility
  }
  template<class T>
  move_vtable make_move_vtable() {
    return {{make_dtor_vtable<T>()}, get_mover<T>(), get_move_assigner<T>()};
  }
  template<class T>
  move_vtable const* get_move_vtable() {
    static const auto vtable = make_move_vtable<T>();
    return &vtable;
  }
  template<class R, class...Args>
  struct call_noalloc_vtable:
    move_vtable,
    call_view_vtable<R,Args...>
  {};
  template<class F, class R, class...Args>
  call_noalloc_vtable<R,Args...> make_call_noalloc_vtable() {
    return {{make_move_vtable<F>()}, {make_call_view_vtable<F, R, Args...>()}};
  }
  template<class F, class R, class...Args>
  call_noalloc_vtable<R,Args...> const* get_call_noalloc_vtable() {
    static const auto vtable = make_call_noalloc_vtable<F, R, Args...>();
    return &vtable;
  }
}
template<class Sig, std::size_t sz = sizeof(void*)*3, std::size_t algn=alignof(void*)>
struct call_noalloc;
template<class R, class...Args, std::size_t sz, std::size_t algn>
struct call_noalloc<R(Args...), sz, algn> {
  explicit operator bool() const { return vtable; }
  R operator()(Args...args) const {
    return vtable->invoke( pvoid(), std::forward<Args>(args)... );
  }

  call_noalloc(call_noalloc&& o):call_noalloc()
  {
    *this = std::move(o);
  }
  call_noalloc& operator=(call_noalloc const& o) {
    if (this == &o) return *this;
    // moveing onto same type, assign:
    if (o.vtable && vtable->move_assign && vtable == o.vtable)
    {
      vtable->move_assign( &data, &o.data );
      return *this;
    }
    clear();
    if (o.vtable) {
      // moveing onto differnt type, construct:
      o.vtable->move( &data, &o.data );
      vtable = o.vtable;
    }
    return *this;
  }
  call_noalloc()=default;

  template<class F,
    std::enable_if_t<!std::is_same<call_noalloc, std::decay_t<F>>{}, int> =0
  >
  call_noalloc( F&& f )
  {
    static_assert( sizeof(std::decay_t<F>)<=sz && alignof(std::decay_t<F>)<=algn );
    ::new( (void*)&data ) std::decay_t<F>( std::forward<F>(f) );
    vtable = details::get_call_noalloc_vtable< std::decay_t<F>, R, Args... >();
  }

  void clear() {
    if (!*this) return;
    vtable->dtor(&data);
    vtable = nullptr;
  }

private:
  void* pvoid() { return &data; }
  void const* pvoid() const { return &data; }
  details::call_noalloc_vtable<R, Args...> const* vtable = 0;
  std::aligned_storage_t< sz, algn > data;
};

我们创建一个有界的内存缓冲区来存储对象。这个版本只支持移动语义;扩展到复制语义的recipie应该是显而易见的。

这比std::function更有优势，因为如果没有足够的空间来存储有问题的对象，就会遇到硬编译错误。作为非分配类型，您可以在性能关键代码中使用它，而不会有分配延迟的风险。

测试代码：

void print_test( call_view< void(std::ostream& os) > printer ) {
    printer(std::cout);
}

int main() {
    print_test( [](auto&& os){ os << "hello world\n"; } );
}

Live example所有3个测试。