閔軍 羅泓

摘? 要：泛型函數(shù)容器的使用可以解耦對(duì)象之間的調(diào)用關(guān)系，有利于實(shí)現(xiàn)高內(nèi)聚、低耦合的軟件設(shè)計(jì)原則。C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中并沒(méi)有這樣的容器，用C++舊標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)也很困難、很低效。C++1x等新標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，出現(xiàn)了一些更好的實(shí)現(xiàn)方式。本文將在已有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，基于C++17新標(biāo)準(zhǔn)，利用if constexpr、fold expression、std：：invoke等新技術(shù)，提供一種泛型函數(shù)容器的實(shí)現(xiàn)方式。測(cè)試表明該實(shí)現(xiàn)方式簡(jiǎn)潔高效，解決了重載函數(shù)和某些特殊函數(shù)的注冊(cè)調(diào)用問(wèn)題，可以顯著降低耦合性、提高代碼復(fù)用性。

關(guān)鍵詞：C++17;泛型;函數(shù)容器;高內(nèi)聚;低耦合

中圖分類號(hào)：TP311.1? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Abstract：The application of generic function containers can decouple the calling relationships between objects，conducive to the realization of high cohesion and low coupling software design principles.There is no such container in the C++ standard library，and it is very difficult and inefficient to implement with the old C++ standard.The release of new standards，such as C++1x，has brought some better implementation methods.This paper provides a generic function container implementation method based on the existing design and the new C++17 standard，via some new technologies such as if constexpr，fold expression，and std：：invoke.Test results show that the simple and efficient implementation method effectively solves the problem of registration and calling of overloaded functions and some special functions，significantly reducing coupling and improving code reusability.

Keywords：C++17;generic;function container;high aggregation;low coupling

1? ?引言（Introduction）

高內(nèi)聚、低耦合是軟件設(shè)計(jì)的基本原則，泛型函數(shù)容器的使用可以解耦對(duì)象之間的調(diào)用關(guān)系，有利于實(shí)現(xiàn)軟件設(shè)計(jì)的這一基本原則[1]。作為一種萬(wàn)能函數(shù)注冊(cè)器，泛型函數(shù)容器可以將任意類型的函數(shù)用一個(gè)key進(jìn)行注冊(cè)以供其他程序調(diào)用，可以注冊(cè)普通函數(shù)、函數(shù)模板、成員函數(shù)、函數(shù)對(duì)象、lambda表達(dá)式、重載函數(shù)和某些特殊函數(shù)等。當(dāng)全局函數(shù)或?qū)ο笾g存在交互調(diào)用需求時(shí)，比如需要相互調(diào)用對(duì)方成員函數(shù)或者不適合關(guān)聯(lián)的無(wú)關(guān)對(duì)象之間需要調(diào)用其他對(duì)象的成員函數(shù)或者全局函數(shù)需要調(diào)用成員函數(shù)等類似需求時(shí)，我們便可以將需要被調(diào)用的函數(shù)用一個(gè)key注冊(cè)起來(lái)以供其他實(shí)體調(diào)用。函數(shù)的調(diào)用者不必知道被調(diào)用者，二者都依賴于中間的泛型函數(shù)容器，借此便可以解耦對(duì)象之間的調(diào)用關(guān)系[2]。

C++標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)中并沒(méi)有現(xiàn)存的泛型函數(shù)容器，用C++舊標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)也很困難、很低效[3]。C++11、C++14、C++17等新標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布后，出現(xiàn)了一些更好的實(shí)現(xiàn)方式。本文便是在已有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，基于C++17新標(biāo)準(zhǔn)，利用if constexpr、fold expression、std：：invoke等新技術(shù)，提供一種泛型函數(shù)容器的實(shí)現(xiàn)方式[4，5]。

2? 泛型函數(shù)容器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（Design of genericfunction container structure）

泛型函數(shù)容器的基本結(jié)構(gòu)與C++ STL中的容器類似。在把各種不同類型的函數(shù)存入容器時(shí)必須轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，通過(guò)一個(gè)key進(jìn)行注冊(cè)，此后用戶便可以借助這個(gè)key和必要信息提取已注冊(cè)的記錄來(lái)執(zhí)行該函數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)泛型函數(shù)容器的基本功能。

2.1? ?泛型函數(shù)容器的結(jié)構(gòu)圖

2.2? ?函數(shù)存取結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

由于泛型函數(shù)容器需要存取各種不同類型的函數(shù)，具體包括普通函數(shù)、函數(shù)模板、成員函數(shù)、函數(shù)對(duì)象、lambda表達(dá)式、重載函數(shù)和某些特殊函數(shù)等，所以需要抽象出能夠區(qū)分各種不同函數(shù)的標(biāo)志特征：函數(shù)簽名（Function Signature）。類似于用簽名可以識(shí)別不同人一樣，通過(guò)函數(shù)簽名便可以識(shí)別不同的函數(shù)[6]。從便于注冊(cè)和提取的角度，本項(xiàng)目主要關(guān)注函數(shù)簽名的四個(gè)部分：函數(shù)名f、函數(shù)所屬對(duì)象的指針pObj、參數(shù)包指針pArgsList、返回值指針pRet。若是成員函數(shù)，pObj必須明確賦值，否則就必須賦值為空指針nullptr。

然后設(shè)計(jì)一個(gè)函數(shù)封裝類invoker，用來(lái)保存注冊(cè)函數(shù)的函數(shù)簽名。Fun是注冊(cè)函數(shù)的具體類型（包含函數(shù)簽名），每注冊(cè)一個(gè)函數(shù)就創(chuàng)建一個(gè)以模板參數(shù)Fun區(qū)分的該類對(duì)象，每個(gè)不同對(duì)象保存了注冊(cè)函數(shù)的函數(shù)簽名（包含四個(gè)部分），調(diào)用時(shí)便可以從中提取函數(shù)簽名來(lái)執(zhí)行該函數(shù)。

2.3? ?函數(shù)注冊(cè)和提取部分的設(shè)計(jì)

函數(shù)注冊(cè)時(shí)需要完整保存函數(shù)簽名各個(gè)部分的信息，不過(guò)調(diào)用時(shí)并不需要用戶提供完整的函數(shù)簽名。為了簡(jiǎn)化調(diào)用方式，函數(shù)調(diào)用時(shí)用戶只需輸入函數(shù)參數(shù)列表和返回值類型即可，若是無(wú)返回值函數(shù)則只需輸入函數(shù)參數(shù)列表（可以理解為返回值為void類型）。按照以上設(shè)計(jì)思路，注冊(cè)函數(shù)時(shí)需要完整保存函數(shù)簽名的四個(gè)部分，調(diào)用函數(shù)時(shí)用戶只需輸入兩個(gè)參數(shù)即可。因此，設(shè)計(jì)注冊(cè)函數(shù)reg_fun時(shí)需要有四個(gè)參數(shù)，設(shè)計(jì)調(diào)用函數(shù)call時(shí)只需有兩個(gè)參數(shù)即可。具體實(shí)現(xiàn)可參見(jiàn)后面完整代碼中的reg_fun、call。

3? 關(guān)鍵數(shù)據(jù)成員m_mapInvoker的設(shè)計(jì)（Design of the key data member m_mapInvoker）

3.1? ?關(guān)鍵數(shù)據(jù)成員m_mapInvoker保存的是key與函數(shù)的成對(duì)記錄

我們可以使用std：：map容器來(lái)保存泛型函數(shù)容器的注冊(cè)數(shù)據(jù)。在本項(xiàng)目中，關(guān)鍵數(shù)據(jù)成員m_mapInvoker便是用于保存key與函數(shù)成對(duì)記錄的std：：map容器。m_mapInvoker的key字段為std：：string類型，是用戶指定名稱或者返回值及參數(shù)類型名稱的累加字符串;data字段則是std：：function類模版封裝的特殊函數(shù)類型[7]。

若用戶注冊(cè)時(shí)指定了注冊(cè)名稱便以此為該條記錄的key，此時(shí)的key用std：：string類型，不至于產(chǎn)生混淆。不過(guò)在調(diào)用該注冊(cè)函數(shù)時(shí)，若直接使用std：：string類型的key，便可能與參數(shù)類型產(chǎn)生混淆，因?yàn)樽?cè)函數(shù)的第一個(gè)參數(shù)也可能是std：：string類型。所以，在調(diào)用該注冊(cè)函數(shù)時(shí)，必須使用key_fun類型的key，才能避免可能發(fā)生的混淆。fun_key是只含一個(gè)數(shù)據(jù)成員std：：string key的簡(jiǎn)單封裝類型，其主要作用就是在調(diào)用時(shí)避免與函數(shù)參數(shù)發(fā)生混淆。

若用戶注冊(cè)時(shí)未指定注冊(cè)名稱，便使用返回值及參數(shù)類型名稱的累加字符串作為該條記錄的key，提取時(shí)也會(huì)自動(dòng)生成返回值及參數(shù)類型名稱的累加字符串作為key來(lái)查詢調(diào)用該注冊(cè)函數(shù)。這樣的設(shè)計(jì)，同時(shí)也解決了參數(shù)列表相同、返回值不同的多個(gè)函數(shù)的注冊(cè)調(diào)用問(wèn)題。

m_mapInvoker的data字段用于保存函數(shù)簽名的四個(gè)部分，它是以std：：function類模版封裝的特殊函數(shù)void（void*，void*）。該封裝函數(shù)無(wú)返回值，第一個(gè)參數(shù)為注冊(cè)函數(shù)的參數(shù)包指針，第二個(gè)參數(shù)為注冊(cè)函數(shù)的返回值指針。

具體實(shí)現(xiàn)可以參見(jiàn)完整代碼中的fun_key類（其結(jié)構(gòu)參見(jiàn)圖2）、call_impl、get_key_from_fun_args等函數(shù)，以及后面的測(cè)試代碼。

3.2? ?封裝函數(shù)的原始模型

關(guān)鍵數(shù)據(jù)成員m_mapInvoker的data字段中保存的并非單純的封裝函數(shù)，而是通過(guò)std：：bind綁定到原始函數(shù)模型上的間接函數(shù)[8]。封裝函數(shù)的原始模型是invoker：：apply