前言
为什么要剖析std::function呢？合买源码搭建Q2952777280 因为笔者最近在做一个std::function向单片机系统的移植与扩展。
后续还会有std::bind等标准库其他部分的移植。
std::function，能存储任何符合模板参数的函数对象。换句话说，这些拥有一致参数类型、相同返回值类型（其实不必完全相同）的函数对象，可以由std::function 统一包装起来。函数对象的大小是任意的、不能确定的，而C++中的类型都是固定大小的，那么，如何在一个固定大小的类型中存储任意大小的对象呢？
实际上问题还不止存储那么简单。存储了函数对象，必定是要在某一时刻调用；函数对象不是在创建的时候调用，这个特性成为延迟调用；函数对象也是对象，需要处理好构造、拷贝、移动、析构等问题——这些也需要延迟调用，但总不能再用std::function 来解决吧？
既然std::function 能存储不同类型的函数对象，可以说它具有多态性。C++中体现多态性的主要是虚函数，继承与多态这一套体制是可以解决这个问题的。相关资料[1][2]中的实现利用了继承与多态，相当简洁。
利用继承与多态，我们可以让编译器帮我们搞定函数对象的析构。就这种实现而言，这是简洁而有效的方法。然而这种实现需要动态内存，在一些情况下不划算，甚至完全没有必要。C++11引入了lambda表达式，其本质也是函数对象。这个对象有多大呢？取决于捕获列表。你写lambda会捕获多少东西？很多情况下就只是一对方括号而已吧。在这种情况下，lambda表达式的对象大小只有1字节（因为不能是0字节），你却为了这没有内容的1字节要调用动态内存的函数？C++注重运行时效率，这种浪费是不能接受的。
如何避免这种浪费呢？你也许会说我检查传入的对象是不是1字节的空类型。且不论这个trait怎么实现，函数指针、捕获一个int的lambda等类型都声称自己是trivial的小对象，也不应该分配到heap中去。
之前说过，std::function 的大小是固定的，但是这个大小是可以自己定的。我们可以在std::function 的类定义中加入一个空白的、大小适中的field，用在存放这些小对象，从而避免这些情况下的动态内存操作。同时，既然有了这片空间，也就不需要看传入的对象是不是1字节的空类型了。
而对于更大的类型，虽然这个field不足以存放函数对象，但足以存放一个指针，这种分时复用的结构可以用union来实现。这种小对象直接存储、大对象在heap上开辟空间并存储指针的方法，称为small object optimization。
在利用继承的实现中，函数对象被包装在一个子类中，std::function 中持有一个其父类的指针。然而为了效率，我们需要把空白field和这个指针union起来。union总给人一种底层的感觉，在不确定这个union到底存储的是什么的时候，当然不能通过其中的指针去调用虚函数。在这样的设计中，多态性不再能用继承体系实现了，我们需要另一种实现多态的方法。
回想一下虚函数是如何实现的？带有virtual function的类的对象中会安插vptr，这个指针指向一个vtable，这个vtable含有多个slot，里面含有指向type_info对象的指针与函数指针——对，我们需要函数指针！不知你有没有在C中实现过多态，在没有语言特性的帮助下，比较方便的方法是在struct中直接放函数指针。如果要像C++那样用上vptr和vtable，你得管理好每个类及其对应vtable的内容。你以为这种情况在C++中就有所好转吗？只有你用C++的继承体系，编译器才会帮你做这些事。想要自己建立一个从类型到vptr的映射，恐怕你得改编译器了。
vptr与vtable的意义是什么？其一，每个基类只对应一个vptr，大小固定，多重继承下便于管理，但这点与这篇文章的主题没有关联；其二，当基类有多个虚函数的时候，使用vptr可以节省存储对象的空间，而如果用函数指针的话，虽然少了一次寻址，但继承带来的空间overhead取决于虚函数的数量，由于至少一个，函数指针的占用的空间不会少于vptr，在虚函数数量较多的情况下，函数指针就要占用比较大的空间了。
既然我们已经无法在std::function中使用vptr，我们也应该尽可能减少函数指针的数量，而这又取决于这些函数的功能，进一步取决于std::function类的接口。
虽然C++标准规定了std::function的接口就应该是这样，我还是想说说它为什么应该是这样。关于其他的一些问题，比如保存值还是保存引用等，可以参考相关资料[4]。
最基本的，std::function是一个模板类，模板参数是一个类型（注意是一个类型，不是好几个类型）。我们可以这么写：
std::function f;
f是一个可调用对象，参数为 double，返回值为int。你也许会问，这里既规定了参数类型又规定了返回值类型，怎么就成了一个类型呢？确实是一个类型，int(double)是一个函数类型（注意不是函数指针）。
std::function要包装所有合适类型的对象，就必须有对应的构造函数，所以这是个模板构造函数。参数不是通用引用而是直接传值：
template function(F);
可能是为了让编译器对空对象进行优化。同样还有一个模板赋值函数，参数是通用引用。
每个构造函数都有一个添加了std::allocator_arg_t作为第一个参数、内存分配器对象作为第二个参数的版本，C++17中已经移除（GCC从未提供，可能是因为std::function的内存分配无法自定义）。同样删除的还有assign，也是与内存分配器相关的。
另外有一个以std::reference_wrapper作为参数的赋值函数：
template function&operator=(std::reference_wrapper)noexcept;
可以理解为模板赋值函数的特化。没有相应的构造函数。
默认构造函数、nullptr_t构造函数、nullptr_t拷贝赋值函数都将std::function对象置空。当std::function对象没有保存任何函数对象时，operator bool()返回false，与nullptr_t调用operator==会返回true，如果调用将抛出std::bad_function_call异常。
虽然std::function将函数对象包装了起来，但用户还是可以获得原始对象的。target_type()返回函数对象的typeid，target()模板函数当模板参数与函数对象类型相同时返回其指针，否则返回空指针。
作为函数包装器，std::function也是函数对象，可以通过operator()调用，参数按照模板参数中声明的类型传递。
还有一些接口与大部分STL设施相似，有Rule of Five规定的5个方法、swap()，以及std::swap()的特化等。可别小看这个swap() ，它有大用处。
总之，函数对象的复制、移动、赋值、交换等操作都是需要的。对客户来说，除了两个std::function的相等性判定（笔者最近在尝试实现这个）以外，其他能想到的方法它都有。
std::function的实现位于<functional>，后续版本迁移至了<bits/std_function.h>。下面这段代码是GCC 4.8.1（第一个支持完整C++11的版本）中的<functional>头文件，共2579行，默认折叠，慎入。
functional
这个实现的原理与上面分析的大致相同，使用函数指针实现多态，也使用了small object optimization。
注：标准库的文件的缩进是2格，有时8个空格会用一个tab代替，在将tab显示为4字节的编辑器中缩进会比较乱，我已经把tab全部替换为8个空格；很多人缩进习惯是4格，但如果把2格全部替换成4格也会乱了格式，所以以下摘录自标准库文件的代码全部都是2格缩进。
类型之间的关系，无非是继承、嵌套、组合。这个实现中三者都有。
关于继承，你也许会问，我们刚才不是说了这种实现没法用继承吗？实际上没有矛盾。刚才说的继承，是接口上的继承，讲得更具体点就是要继承虚函数，是一种is-a的关系；而这里的继承，是实现上的继承，是一种is-implemented-in-terms-of的关系，在语言层面大多是private继承。
在泛型编程中，还有一个关于继承的问题，就是在继承体系的哪一层引入模板参数。
嵌套，即类中定义嵌套类型，使类之间的结构更加清晰，在泛型编程中还可以简化设计。
组合，在于一个类的对象中包含其他类的对象，本应属于对象关系的范畴，但是在这个实现中，一个类一般不会在同一个scope内出现多个对象，因此我这里就直接把对象组合的概念拿来用了。
首先出现的是bad_function_call类型，这是一个异常类，当调用空std::function对象时抛出：
1classbad_function_call :public std::exception2{3public:4virtual~bad_function_call() noexcept;5constchar* what()const noexcept;6};
由于不是模板类（难得能在STL中发现非模板类），实现被编译好放在了目标文件中。虽然GCC开源，但既然这个类不太重要，而且稍微想想就能知道它是怎么实现的了，所以这里就不深究了。
相关的还有一个用于抛出异常的函数：
1void __throw_bad_function_call() __attribute__((__noreturn__));
在<bits/functexcept.h>中。同样只有声明没有定义。
有关数据存储的类共有3个：
1class _Undefined_class; 2 3union_Nocopy_types 4{ 5void* _M_object; 6constvoid* _M_const_object; 7void(*_M_function_pointer)(); 8void(_Undefined_class::*_M_member_pointer)(); 9};1011union_Any_data12{13void* _M_access() {return&_M_pod_data[0]; }14constvoid* _M_access()const{return&_M_pod_data[0]; }1516template17_Tp&18 _M_access()19{return*static_cast<_Tp*>(_M_access()); }2021template22const_Tp&23_M_access()const24{return*static_cast(_M_access()); }2526 _Nocopy_types _M_unused;27char_M_pod_data[sizeof(_Nocopy_types)];28};
_Undefined_class，顾名思义，连定义都没有，只是用于声明_Nocopy_types中的成员指针数据域，因为同一个平台上成员指针的大小是相同的。
_Nocopy_types，是4种类型的联合体类型，分别为指针、常量指针、函数指针与成员指针。“nocopy”指的是这几种类型指向的对象类型，而不是本身。
_Any_data，是两种类型的联合体类型，一个是_Nocopy_types，另一个是char数组，两者大小相等。后者是POD的，POD的好处多啊，memcpy可以用，最重要的是复制不会抛异常。非模板_M_access()返回指针，模板_M_access()返回解引用的结果，两者都有const重载。
1enum _Manager_operation2{3 __get_type_info,4 __get_functor_ptr,5 __clone_functor,6 __destroy_functor7};
_Manager_operation，枚举类，是前面所说控制std::function的函数指针需要的参数类型。定义了4种操作：获得type_info、获得仿函数（就是函数对象）指针、复制仿函数、销毁（析构）仿函数。从这个定义中可以看出，1.4节所说的各种功能中，需要延迟调用的，除了函数对象调用以外，都可以通过这4个功能来组合起来。我们后面还会进一步探讨这个问题。
1template2struct __is_location_invariant3: integral_constant::value4|| is_member_pointer<_Tp>::value)>5{ };
__is_location_invariant，一个trait类，判断一个类型是不是“位置不变”的。从字面上来理解，一个类型如果是“位置不变”的，那么对于一个这种类型的对象，无论它复制到哪里，各个对象的底层表示都是相同的。在这个定义中，一个类型是“位置不变”的，当且仅当它是一个指针或成员指针（与一般的理解有所不同）。
1template 2struct _Simple_type_wrapper 3 { 4 _Simple_type_wrapper(_Tp __value) : __value(__value) { } 5 6 _Tp __value; 7 }; 8 9template10struct__is_location_invariant<_Simple_type_wrapper<_Tp> >11: __is_location_invariant<_Tp>12{ };
_Simple_type_wrapper，一个简单的包装器，用于避免void*与指针的指针之间类型转换的const问题。以及__is_location_invariant对_Simple_type_wrapper的偏特化。
类_Function_base定义了一系列用于管理函数对象内存的函数，这是一个非模板类：
1class _Function_base 2{ 3public: 4staticconststd::size_t _M_max_size =sizeof(_Nocopy_types); 5staticconststd::size_t _M_max_align = __alignof__(_Nocopy_types); 6 7template 8class _Base_manager; 910template11class _Ref_manager;1213_Function_base() : _M_manager(0) { }1415~_Function_base()16 {17if (_M_manager)18 _M_manager(_M_functor, _M_functor, __destroy_functor);19 }2021bool_M_empty()const{return!_M_manager; }2223typedefbool(*_Manager_type)(_Any_data&,const_Any_data&,24 _Manager_operation);2526 _Any_data _M_functor;27 _Manager_type _M_manager;28};
_Function_base是std::function的实现基类，定义了两个静态常量，用于后面的trait类；两个内部类，用于包装静态方法；函数指针类型_Manager_type的对象_M_manager，用于存取_Any_data类型的_M_functor中的数据；构造函数，将函数指针置为空；析构函数，调用函数指针，销毁函数对象；_M_empty()方法，检测内部是否存有函数对象。
我们来看其中的_Base_manager类：
1template 2class _Base_manager 3 { 4protected: 5staticconstbool__stored_locally = 6(__is_location_invariant<_Functor>::value 7&&sizeof(_Functor) <= _M_max_size 8&& __alignof__(_Functor) <= _M_max_align 9&& (_M_max_align % __alignof__(_Functor) ==0));1011typedef integral_constant _Local_storage;1213static_Functor*14_M_get_pointer(const_Any_data& __source);1516staticvoid17_M_clone(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source, true_type);1819staticvoid20_M_clone(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source, false_type);2122staticvoid23_M_destroy(_Any_data& __victim, true_type);2425staticvoid26_M_destroy(_Any_data& __victim, false_type);2728public:29staticbool30_M_manager(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source,31 _Manager_operation __op);3233staticvoid34_M_init_functor(_Any_data& __functor, _Functor&& __f);3536template37staticbool38_M_not_empty_function(constfunction<_Signature>& __f);3940template41staticbool42_M_not_empty_function(const_Tp*& __fp);4344template45staticbool46_M_not_empty_function(_Tp _Class::*const& __mp);4748template49staticbool50_M_not_empty_function(const_Tp&);5152private:53staticvoid54_M_init_functor(_Any_data& __functor, _Functor&& __f, true_type);5556staticvoid57_M_init_functor(_Any_data& __functor, _Functor&& __f, false_type);58};
定义了一个静态布尔常量__stored_locally，它为真当且仅当__is_location_invarianttrait为真、仿函数放得下、仿函数的align符合两个要求。然后再反过来根据这个值定义trait类_Local_storage（标准库里一般都是根据value trait来生成value）。
其余几个静态方法，顾名思义即可。有个值得思考的问题，
再来看_Ref_manager类：
1template 2class_Ref_manager :public_Base_manager<_Functor*> 3 { 4typedef _Function_base::_Base_manager<_Functor*> _Base; 5 6public: 7staticbool 8_M_manager(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source, 9 _Manager_operation __op);1011staticvoid12_M_init_functor(_Any_data& __functor, reference_wrapper<_Functor> __f);13};
_Ref_manager继承自_Base_manager类，覆写了两个静态方法。
起辅助作用的模板函数__callable_functor：
1template 2inline _Functor& 3__callable_functor(_Functor& __f) 4{return __f; } 5 6template 7inline _Mem_fn<_Member _Class::*> 8__callable_functor(_Member _Class::* &__p) 9{return std::mem_fn(__p); }1011template12inline _Mem_fn<_Member _Class::*>13__callable_functor(_Member _Class::*const&__p)14{return std::mem_fn(__p); }1516template17inline _Mem_fn<_Member _Class::*>18__callable_functor(_Member _Class::*volatile&__p)19{return std::mem_fn(__p); }2021template22inline _Mem_fn<_Member _Class::*>23__callable_functor(_Member _Class::*constvolatile&__p)24{returnstd::mem_fn(__p); }
对非成员指针类型，直接返回参数本身；对成员指针类型，返回mem_fn()的结果（将类对象转换为第一个参数；这个标准库函数的实现不在这篇文章中涉及），并有cv-qualified重载。它改变了调用的形式，把所有的参数都放在了小括号中。
_Function_handler类，管理仿函数调用：
1template 2class _Function_handler; 3 4template 5class_Function_handler<_Res(_ArgTypes...), _Functor> 6:public_Function_base::_Base_manager<_Functor> 7 { 8typedef _Function_base::_Base_manager<_Functor> _Base; 910public:11static _Res12_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args);13 };1415template16class_Function_handler17:public_Function_base::_Base_manager<_Functor>18 {19typedef _Function_base::_Base_manager<_Functor> _Base;2021public:22staticvoid23_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args);24 };2526template27class_Function_handler<_Res(_ArgTypes...), reference_wrapper<_Functor> >28:public_Function_base::_Ref_manager<_Functor>29 {30typedef _Function_base::_Ref_manager<_Functor> _Base;3132public:33static _Res34_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args);35 };3637template38class_Function_handler >39:public_Function_base::_Ref_manager<_Functor>40 {41typedef _Function_base::_Ref_manager<_Functor> _Base;4243public:44staticvoid45_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args);46 };4748template50class_Function_handler<_Res(_ArgTypes...), _Member _Class::*>51:public_Function_handler52 {53typedef _Function_handler54 _Base;5556public:57static _Res58_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args);59 };6061template62class_Function_handler63:public_Function_base::_Base_manager<64_Simple_type_wrapper< _Member _Class::* > >65 {66typedef _Member _Class::* _Functor;67typedef _Simple_type_wrapper<_Functor> _Wrapper;68typedef _Function_base::_Base_manager<_Wrapper> _Base;6970public:71staticbool72_M_manager(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source,73 _Manager_operation __op);7475staticvoid76_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args);77};
共有6个特化版本：返回值类型为void、其他；函数对象类型为std::reference_wrapper、成员指针、其他。
继承自_Function_base::_Base_manager或_Function_base::_Ref_manager，提供了静态方法_M_invoke()，用于仿函数调用。有一个覆写的_M_manager()，表面上看是一个偏特化有覆写，实际上是两个，因为返回非void 的成员指针偏特化版本还继承了其对应void 偏特化版本。
终于回到伟大的std::function了，但是我们还得再看点别的：
1template 2struct unary_function 3 { 4 typedef _Arg argument_type; 5 6 typedef _Result result_type; 7 }; 8 9template10struct binary_function11 {12 typedef _Arg1 first_argument_type; 1314 typedef _Arg2 second_argument_type;1516 typedef _Result result_type;17};
std::unary_function与std::binary_function，定义了一元和二元函数的参数类型与返回值类型。
1template 2struct _Maybe_unary_or_binary_function { }; 3 4template 5struct_Maybe_unary_or_binary_function<_Res, _T1> 6: std::unary_function<_T1, _Res> { }; 7 8template 9struct_Maybe_unary_or_binary_function<_Res, _T1, _T2>10: std::binary_function<_T1, _T2, _Res> { };
_Maybe_unary_or_binary_function类，当模板参数表示的函数为一元或二元时，分别继承 std::unary_function与std::binary_function。
现在可以给出std::function 类定义与方法声明：
1template 2class function; 3 4template 5classfunction<_Res(_ArgTypes...)> 6:public_Maybe_unary_or_binary_function<_Res, _ArgTypes...>, 7private _Function_base 8 { 9 typedef _Res _Signature_type(_ArgTypes...); 10 11template 12using_Invoke = decltype(__callable_functor(std::declval<_Functor&>()) 13(std::declval<_ArgTypes>()...) ); 14 15template 16struct _CheckResult 17: is_convertible<_CallRes, _Res1> { }; 18 19template 20struct_CheckResult<_CallRes,void> 21 : true_type { }; 22 23template 24using_Callable = _CheckResult<_Invoke<_Functor>, _Res>; 25 26template 27using_Requires = typename enable_if<_Cond::value, _Tp>::type; 28 29public: 30 typedef _Res result_type; 31 32 function() noexcept; 33 34 function(nullptr_t) noexcept; 35 36function(constfunction& __x); 37 38function(function&& __x); 39 40// TODO: needs allocator_arg_t 41 42template,void>> 44 function(_Functor); 45 46function& 47operator=(constfunction& __x); 48 49function& 50operator=(function&& __x); 51 52function& 53operator=(nullptr_t); 54 55template 56_Requires<_Callable<_Functor>, function&> 57operator=(_Functor&& __f); 58 59template 60function& 61operator=(reference_wrapper<_Functor> __f) noexcept; 62voidswap(function& __x); 63 64// TODO: needs allocator_arg_t 65/* 66 template<typename _Functor, typename _Alloc> 67 void 68 assign(_Functor&& __f, const _Alloc& __a); 69*/ 70 71explicitoperatorbool()const noexcept; 72 73_Resoperator()(_ArgTypes... __args)const; 74 75#ifdef __GXX_RTTI 76consttype_info& target_type()const noexcept; 77 78template _Functor* target() noexcept; 79 80templateconst_Functor* target()const noexcept; 81#endif 82 83private: 84typedef _Res (*_Invoker_type)(const_Any_data&, _ArgTypes...); 85 _Invoker_type _M_invoker; 86}; 87 88template 89inlinebool 90operator==(constfunction<_Res(_Args...)>& __f, nullptr_t) noexcept; 91 92template 93inlinebool 94operator==(nullptr_t,constfunction<_Res(_Args...)>& __f) noexcept; 95 96template 97inlinebool 98operator!=(constfunction<_Res(_Args...)>& __f, nullptr_t) noexcept; 99100template101inlinebool102operator!=(nullptr_t,constfunction<_Res(_Args...)>& __f) noexcept;103104template105inlinevoid106swap(function<_Res(_Args...)>& __x, function<_Res(_Args...)>& __y);
前面说过，std::function类的模板参数是一个函数类型。一个函数类型也是一个类型；std::function只在模板参数是函数类型时才有意义；因此，有用的std::function是一个特化的模板，需要一个声明。标准库规定没有特化的声明是没有定义的。
std::function继承自两个类：公有继承模板类_Maybe_unary_or_binary_function，私有继承非模板类_Function_base。
前者是公有继承，但实际上没有继承虚函数，不属于接口继承，而是实现继承，继承的是基类定义的类型别名。因为这些类型别名是面向客户的，所以必须公有继承。这个继承使std::function在不同数量的模板参数的实例化下定义不同的类型别名。继承是实现这种功能的唯一方法，SFINAE不行。（这是本文第一次出现SFINAE这个词，我默认你看得懂。这是泛型编程中的常用技巧，如果不会请参考这篇文章或Google。）
后者是私有继承，也属于实现继承，继承了基类的两个数据域与几个静态方法。
_Signature_type是一个类型别名，就是模板参数，是一个函数类型。
_Invoke是一个别名模板，就是仿函数被按参数类型调用的返回类型。如果不能调用，根据SFINAE，S错误不会E，但这个别名只有一个定义，在使用的地方所有S都E了，编译器还是会给E。
_CheckResult是一个trait类，检测第一个模板参数能否转换为第二个。另有第二个参数为void的偏特化，在类型检测上使返回类型为void的std::function对象能支持任何返回值的函数对象。
_Callable也是一个trait类，利用上面两个定义检测仿函数类型与std::function模板参数是否匹配。
_Requires是一个有趣的别名模板，如果模板参数中第一个value trait为true，则定义为第二个模板参数，否则未定义（是没有，不是void），使用时将交给SFINAE处理。它大致上实现了C++20中require关键字的功能。实际上concept在2005年就有proposal了，一路从C++0x拖到C++20。我计划在C++20标准正式发布之前写一篇文章完整介绍concept。
result_type是模板参数函数类型的返回值类型，与基类中定义的相同。
在类定义最后的私有段，还定义了一个函数指针类型以及该类型的一个对象，这是第二个函数指针。
其余的各种函数，在1.4节都介绍过了。
讲了这么多类型，你记住它们之间的关系了吗？我们再来自顶向下地梳理一遍。
一个std::function对象中包含一个函数指针，它会被初始化为_Function_handler类中的静态函数的指针。std::function与_Function_handler类之间，可以认为是组合关系。
std::function继承自_Maybe_unary_or_binary_function与_Function_base，两者都是实现继承。
_Function_base中有_Base_manager与_Ref_manager两个嵌套类型，其中后者还继承了前者，并覆写了几个方法。两个类定义了一系列静态方法，继承只是为了避免代码重复。
_Function_base含有两个数据域，一个是函数指针，_Function_base与两个嵌套类型之间既是嵌套又是组合；另一个是_Any_data类型对象，_Function_base与_Any_data之间是组合关系。
而_Any_data是一个联合体，是两部分相同大小数据的联合，分别是char数组和_Nocopy_types类型对象，后者又是4种基本类型的联合。
其余的一些类与函数，都是起辅助作用的。至此，对std::function定义的分析就结束了。
之前一直讲，std::function是一个多态的函数对象包装器，其中的难点就在于多态。什么是多态？你能看到这里，水平肯定不低，不知道多态是不可能的。Wikipedia对polymorphism的定义是：In programming languages and type theory, polymorphism is the provision of a single interface to entities of different types or the use of a single symbol to represent multiple different types.
可以说，我们要在std::function中处理好多态，就是要处理好类型。类型当然不能一个个枚举，但可以分类。这里可以分类的有两处：接口类型，即组成模板参数的类型，以及实现类型，即绑定的仿函数的类型。下面，我们就从这两个角度入手，分析std::function是如何实现的。
先根据仿函数类型分类，可以在std::function对象内部存储的，无需heap空间的，在这一节讨论。相关的方法有以下3个：
1template 2staticvoid 3_Function_base::_Base_manager<_Functor>:: 4_M_init_functor(_Any_data& __functor, _Functor&& __f, true_type) 5{new (__functor._M_access()) _Functor(std::move(__f)); } 6 7template 8staticvoid 9_Function_base::_Base_manager<_Functor>::10_M_clone(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source, true_type)11 {12new(__dest._M_access()) _Functor(__source._M_access<_Functor>());13 }1415template16staticvoid17_Function_base::_Base_manager<_Functor>::18_M_destroy(_Any_data& __victim, true_type)19 {20__victim._M_access<_Functor>().~_Functor();21}
_M_init_functor用于初始化对象，在空白区域上用placementnew移动构造了函数对象。
_M_clone用于复制对象，在目标的空白区域上用placementnew拷贝构造和函数对象。
_M_destroy用于销毁对象，对函数对象显式调用了析构函数。
然后来看函数对象存储在heap上的情况：
1template 2staticvoid 3_Function_base::_Base_manager<_Functor>:: 4_M_init_functor(_Any_data& __functor, _Functor&& __f, false_type) 5{ __functor._M_access<_Functor*>() =new _Functor(std::move(__f)); } 6 7template 8staticvoid 9_Function_base::_Base_manager<_Functor>::10_M_clone(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source, false_type)11 {12__dest._M_access<_Functor*>() =13new_Functor(*__source._M_access<_Functor*>());14 }1516template17staticvoid18_Function_base::_Base_manager<_Functor>::19_M_destroy(_Any_data& __victim, false_type)20 {21delete__victim._M_access<_Functor*>();22}
_M_access<_Functor*>()将空白区域解释为仿函数的指针，并返回其引用，实现了这片区域的分时复用。前两个方法都比前一种情况多一层间接，而销毁方法则直接调用了delete。
尽管我们不得不分类讨论，但为了方便使用，还需要一个统一的接口。不知你有没有注意到，上面每一个方法都有一个未命名的参数放在最后，在方法中也没有用到。前一种情况，这个参数都是true_type类型，而后一种都是false_type类型。这个技巧称为tag dispatching，在调用时根据类型特征确定这个位置的参数类型，从而通过重载决定调用哪一个。
1template 2staticvoid 3_Function_base::_Base_manager<_Functor>:: 4_M_init_functor(_Any_data& __functor, _Functor&& __f) 5 { _M_init_functor(__functor, std::move(__f), _Local_storage()); } 6 7template 8staticbool 9_Function_base::_Base_manager<_Functor>::10_M_manager(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source,11 _Manager_operation __op)12 {13switch (__op)14 {15 #ifdef __GXX_RTTI16case __get_type_info:17__dest._M_access() = &typeid(_Functor);18break;19#endif20case __get_functor_ptr:21__dest._M_access<_Functor*>() = _M_get_pointer(__source);22break;2324case __clone_functor:25 _M_clone(__dest, __source, _Local_storage());26break;2728case __destroy_functor:29 _M_destroy(__dest, _Local_storage());30break;31 }32returnfalse;33}
这个版本的_M_init_functor()只有两个参数，加上第三个参数委托给重载版本处理，这第三个参数是一个_Local_storage类的对象，它根据__stored_locally而成为true_type与false_type，从而区分开两个重载。
_M_manager()方法，同样地，利用tag dispatching把另两组方法统一起来。它通过第三个枚举类型参数来确定需要的操作。
但是，这个方法的返回值是bool，怎么传出type_info与函数对象指针呢？它们将返回值写入第一个参数所指向的空间中。说起利用参数来传递返回值，我就想起C中的指针、C++中的引用、RVO、Java中的包裹类型、C#中的out关键字……这里的处理方法不仅解决了返回值的问题，同时也使各个操作的参数统一起来。
一个值得思考的问题是为什么不把_M_init_functor()也放到_M_manager()中去？答案是，调用_M_init_functor()的地方在std::function的模板构造或模板赋值函数中，此时是知道仿函数类型的；而其他操作被调用时，主调函数是不知道仿函数类型的，就必须用函数指针存储起来；为了节省空间，就引入一个枚举类_Manager_operation，把几种操作合并到一个函数中。
实际上这一层可以先不统一，就是写两种情况的_M_manager，然后到上一层再统一，但是会增加代码量。
除此以外，还有一种简单的方法将两者统一：
1template 2static_Functor* 3_Function_base::_Base_manager<_Functor>:: 4_M_get_pointer(const_Any_data& __source) 5 { 6const_Functor* __ptr = 7__stored_locally? std::__addressof(__source._M_access<_Functor>()) 8: __source._M_access<_Functor*>(); 9returnconst_cast<_Functor*>(__ptr);10}
三目运算符的条件是一个静态常量，编译器会优化，不浪费程序空间，也不需要在运行时判断，效果与前一种方法相同。至于另外两个方法（指函数）为什么不用这种方法（指将两种情况统一的方法），可能是为了可读性吧。
在下面一层解决了不同存储结构的问题后，我们还要考虑几种特殊情况。
_M_not_empty_function()用于判断参数是否非空，而不同类型的判定方法是不同的。这里的解决方案很简单，模板方法重载即可。
1template 2template 3staticbool 4_Function_base::_Base_manager<_Functor>:: 5_M_not_empty_function(constfunction<_Signature>& __f) 6{returnstatic_cast(__f); } 7 8template 9template10staticbool11_Function_base::_Base_manager<_Functor>::12_M_not_empty_function(const_Tp*& __fp)13{return __fp; }1415template16template17staticbool18_Function_base::_Base_manager<_Functor>::19_M_not_empty_function(_Tp _Class::*const& __mp)20{return __mp; }2122template23template24staticbool25_Function_base::_Base_manager<_Functor>::26_M_not_empty_function(const_Tp&)27{returntrue; }
在调用时，普通函数对象、std::reference_wrapper对象与成员指针的调用方法是不同的，也需要分类讨论。
1template2static _Res3_Function_handler<_Res(_ArgTypes...), _Functor>::4_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)5 {6return(*_Base::_M_get_pointer(__functor))(7std::forward<_ArgTypes>(__args)...);8}
对于普通函数对象，函数调用没什么特殊的。注意自定义operator()必须是const的。
对于std::reference_wrapper对象，由于包装的对象存储为指针，因此存储结构与普通函数对象有所不同，相应地调用也不同。
1template 2staticvoid 3_Function_base::_Ref_manager<_Functor>:: 4_M_init_functor(_Any_data& __functor, reference_wrapper<_Functor> __f) 5 { 6_Base::_M_init_functor(__functor, std::__addressof(__f.get())); 7 } 8 9template10staticbool11_Function_base::_Ref_manager<_Functor>::12_M_manager(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source,13 _Manager_operation __op)14 {15switch (__op)16 {17 #ifdef __GXX_RTTI18case __get_type_info:19__dest._M_access() = &typeid(_Functor);20break;21#endif22case __get_functor_ptr:23__dest._M_access<_Functor*>() = *_Base::_M_get_pointer(__source);24returnis_const<_Functor>::value;25break;2627default:28 _Base::_M_manager(__dest, __source, __op);29 }30returnfalse;31 }3233template34static _Res35_Function_handler<_Res(_ArgTypes...), reference_wrapper<_Functor> >::36_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)37 {38return__callable_functor(**_Base::_M_get_pointer(__functor))(39std::forward<_ArgTypes>(__args)...);40}
碰到两个星号是不是有点晕？其实只要想，一般情况下存储函数对象的地方现在存储指针，所以要获得原始对象，只需要比一般情况多一次解引用，这样就容易理解了。
对于成员指针，情况又有一点不一样：
1template 2staticbool 3_Function_handler:: 4_M_manager(_Any_data& __dest,const_Any_data& __source, 5 _Manager_operation __op) 6 { 7switch (__op) 8 { 9#ifdef __GXX_RTTI10case __get_type_info:11__dest._M_access() = &typeid(_Functor);12break;13#endif14case __get_functor_ptr:15__dest._M_access<_Functor*>() =16&_Base::_M_get_pointer(__source)->__value;17break;1819default:20 _Base::_M_manager(__dest, __source, __op);21 }22returnfalse;23 }2425template27static _Res28_Function_handler<_Res(_ArgTypes...), _Member _Class::*>::29_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)30 {31returnstd::mem_fn(_Base::_M_get_pointer(__functor)->__value)(32std::forward<_ArgTypes>(__args)...);33}
我一直说“成员指针”，而不是“成员函数指针”，是因为数据成员指针也是可以绑定的，这种情况在std::mem_fn()中已经处理好了。
void返回类型的偏特化本应接下来讨论，但之前讲过，这个函数被通过继承复用了。实际上，如果把这里的void改为模板类型，然后交换两个_Function_handler偏特化的继承关系，效果还是一样的，所以就在这里先讨论了。
最后一个需要区分的类型，是返回值类型，属于接口类型。之前都是非void版本，下面还有几个void的偏特化：
1template 2staticvoid 3_Function_handler:: 4_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args) 5 { 6(*_Base::_M_get_pointer(__functor))( 7std::forward<_ArgTypes>(__args)...); 8 } 910template11staticvoid12_Function_handler >::13_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)14 {15__callable_functor(**_Base::_M_get_pointer(__functor))(16std::forward<_ArgTypes>(__args)...);17 }1819template20staticvoid21_Function_handler::22_M_invoke(const_Any_data& __functor, _ArgTypes... __args)23 {24std::mem_fn(_Base::_M_get_pointer(__functor)->__value)(25std::forward<_ArgTypes>(__args)...);26}
void只是删除了return关键字的非void版本，因此void返回类型的std::function对象可以绑定任何返回值的函数对象。
我们终于讨论完了各种情况，接下来让我们来见证std::function的大和谐：如何用这些方法组装成std::function 。
1template 2function<_Res(_ArgTypes...)>:: 3 function() noexcept 4 : _Function_base() { } 5 6template 7function<_Res(_ArgTypes...)>:: 8 function(nullptr_t) noexcept 9 : _Function_base() { } 10 11template 12function<_Res(_ArgTypes...)>:: 13function(function&& __x) : _Function_base() 14 { 15__x.swap(*this); 16 } 17 18template 19 auto 20function<_Res(_ArgTypes...)>:: 21operator=(constfunction& __x) 22-> function& 23 { 24function(__x).swap(*this); 25return*this; 26 } 27 28template 29 auto 30function<_Res(_ArgTypes...)>:: 31operator=(function&& __x) 32-> function& 33 { 34function(std::move(__x)).swap(*this); 35return*this; 36 } 37 38template 39 auto 40function<_Res(_ArgTypes...)>:: 41operator=(nullptr_t) 42-> function& 43 { 44if (_M_manager) 45 { 46 _M_manager(_M_functor, _M_functor, __destroy_functor); 47_M_manager =0; 48_M_invoker =0; 49 } 50return*this; 51 } 52 53template 54 auto 55function<_Res(_ArgTypes...)>:: 56operator=(_Functor&& __f) 57-> _Requires<_Callable<_Functor>, function&> 58 { 59function(std::forward<_Functor>(__f)).swap(*this); 60return*this; 61 } 62 63template 64template 65 auto 66function<_Res(_ArgTypes...)>:: 67-> function& 68operator=(reference_wrapper<_Functor> __f) noexcept 69 { 70function(__f).swap(*this); 71return*this; 72 } 73 74template 75void 76function<_Res(_ArgTypes...)>:: 77swap(function& __x) 78 { 79 std::swap(_M_functor, __x._M_functor); 80 std::swap(_M_manager, __x._M_manager); 81 std::swap(_M_invoker, __x._M_invoker); 82 } 83 84template 85function<_Res(_ArgTypes...)>:: 86operatorbool()const noexcept 87{return!_M_empty(); } 88 89template 90function<_Res(_ArgTypes...)>:: 91function(constfunction& __x) 92 : _Function_base() 93 { 94if(static_cast(__x)) 95 { 96_M_invoker = __x._M_invoker; 97_M_manager = __x._M_manager; 98 __x._M_manager(_M_functor, __x._M_functor, __clone_functor); 99 }100 }101102template103template104function<_Res(_ArgTypes...)>::105 function(_Functor __f)106 : _Function_base()107 {108typedef _Function_handler<_Signature_type, _Functor> _My_handler;109110if (_My_handler::_M_not_empty_function(__f))111 {112 _My_handler::_M_init_functor(_M_functor, std::move(__f));113_M_invoker = &_My_handler::_M_invoke;114_M_manager = &_My_handler::_M_manager;115 }116 }117118template119 _Res120function<_Res(_ArgTypes...)>::121operator()(_ArgTypes... __args)const122 {123if (_M_empty())124 __throw_bad_function_call();125return_M_invoker(_M_functor, std::forward<_ArgTypes>(__args)...);126 }127128template129consttype_info&130function<_Res(_ArgTypes...)>::131target_type()const noexcept132 {133if (_M_manager)134 {135 _Any_data __typeinfo_result;136 _M_manager(__typeinfo_result, _M_functor, __get_type_info);137return*__typeinfo_result._M_access();138 }139else140returntypeid(void);141 }142143template144template145_Functor*146function<_Res(_ArgTypes...)>::147 target() noexcept148 {149if(typeid(_Functor) == target_type() && _M_manager)150 {151 _Any_data __ptr;152if (_M_manager(__ptr, _M_functor, __get_functor_ptr)153&& !is_const<_Functor>::value)154return0;155else156return__ptr._M_access<_Functor*>();157 }158else159return0;160 }161162template163template164const_Functor*165function<_Res(_ArgTypes...)>::166target()const noexcept167 {168if(typeid(_Functor) == target_type() && _M_manager)169 {170 _Any_data __ptr;171 _M_manager(__ptr, _M_functor, __get_functor_ptr);172return__ptr._M_access();173 }174else175return0;176 }177178template179inlinebool180operator==(constfunction<_Res(_Args...)>& __f, nullptr_t) noexcept181{return!static_cast(__f); }182183template184inlinebool185operator==(nullptr_t,constfunction<_Res(_Args...)>& __f) noexcept186{return!static_cast(__f); }187188template189inlinebool190operator!=(constfunction<_Res(_Args...)>& __f, nullptr_t) noexcept191{returnstatic_cast(__f); }192193template194inlinebool195operator!=(nullptr_t,constfunction<_Res(_Args...)>& __f) noexcept196{returnstatic_cast(__f); }197198template199inlinevoid200swap(function<_Res(_Args...)>& __x, function<_Res(_Args...)>& __y)201{ __x.swap(__y); }
我们从swap()开始入手。swap()方法只是简单地将三个数据成员交换了一下，这是正确的，因为它们存储的都是POD类型。我认为，这个实现对函数对象存储在本地的条件的限制太过严格，大小合适的可trivial复制的函数对象也应该可以存储在本地。
在swap()的基础上，拷贝构造、移动构造、拷贝赋值、移动赋值函数很自然地构建起来了，而且只用到了swap()方法。这种技巧称为copy-and-swap。这也就解释了为什么std::function需要那么多延迟调用的操作而表示操作的枚举类只需要定义4种操作。
swap()还可以成为异常安全的基础。由于以上方法只涉及到swap()，而swap()方法是不抛异常的，因此两个移动函数是noexcept的，两个拷贝函数也能保证在栈空间足够时不抛异常，在抛异常时不会出现内存泄漏。
其余的方法，有了前面的基础，看代码就能读懂了。
写这篇文章花了好久呀。这是我第一次写这么长的博客，希望你能有所收获。如果有不懂的地方，可以在评论区留言。如果有任何错误，烦请指正。
我是从实现的角度来写的这篇文章，如果你对其中的一些技巧（SFINAE、tag dispatching）不太熟悉的话，理解起来可能有点困难。相关资料[8]介绍了function类的设计思路，从无到有的构建过程比较容易理解。相关资料[9]分析了另一个版本的std::function实现，可供参考。
文章内容已经很充实了，但是没有图片，不太直观。有空我会加上图片的，这样更容易理解。
另外，在我实现完自己的function类以后，还会对这篇文章作一点补充。自己造一遍轮子，总会有更深刻的感受吧。
