c++ - 当存储在容器中时，std::function() 到底做了什么？

Question

当存储在容器中时，std::function 构造函数究竟做了什么？

在这个测试代码中:

struct A {
    int sn;
    A() = delete;
    A(int v) : sn(v) { cout << "A::init(" << sn << ')' << endl; }
    A(const A& a) : sn(a.sn+1) { cout << "A::copy(" << sn << ')' << endl; }
    A(A&& a) : sn(a.sn+1) { cout << "A::move(" << sn << ')' << endl; }
    ~A() { cout << "A::delete(" << sn << ')' << endl; }
};

void func(int a, A &b) {
    cout << "func2:" << a << ',' << b.sn << endl;
}

int main(int argc, char *argv[]) {
    std::vector<std::function<void(void)>> fv;
    A a(1);
    cout << "call bind()" << endl;
    fv.emplace_back(std::bind(func,1,a));
    fv.front()();
    cout << "end of local scope" << endl;
}

我声明了 class A 的移动和复制构造函数来累积一个序列号，这样我就可以将它跟踪为第 N 个创建的实例。结果是:

A::init(1)
call bind()
A::copy(2)
A::move(3)
A::move(4)
A::delete(3)
A::delete(2)
func2:1,4
end of local scope
A::delete(1)
A::delete(4)

首先在 main() 本地范围内创建一个实例 a(1)，然后将其复制为一个新实例 a(2) 当调用 std::bind() 时，然后再次移动到 std::function 动态分配的内存(或其内部内存片段？)以保存 的拷贝>std::bind() 实例，所以我们有 std::function 实例持有的 A 的第三个实例。

到目前为止它是可以理解的，但为什么还有另一个移动结构？为什么第三个实例在第二个实例之前被破坏，而第二个实例应该在 std::bind() 返回时被清除？

如果我将 main() 函数重写为:

int main(int argc, char *argv[]) {
    A a(1);
    cout << "call bind()" << endl;
    std::function<void(void)> f(std::bind(func,1,a));
    f();
    cout << "end of local scope" << endl;
}

那么结果就是:

A::init(1)
call bind()
A::copy(2)
A::move(3)
A::delete(2)
func2:1,3
end of local scope
A::delete(3)
A::delete(1)

没有第二步构造，一切看起来都很合理。

在这种情况下调用 emplace_back() 创建 std::function 实例时到底发生了什么？

Answer 1

First an instance a(1) is created in main() local scope, then it's copied as a new instance a(2) when calling std::bind(), then moved again into std::function dynamically allocated memory

您错过了一个步骤:std::function 的构造函数采用按值

template<typename F>
std::function<void(void)>::function(F f);

emplace_back 正在转发包含 a(2) 作为右值的 std::bind-wrapper，是的，但是这个构造函数只接受按值，而不是右值引用，所以 a(2) 被移动并变成 a(3) 只是为了初始化构造函数的参数。 然后构造函数将该值移出到动态存储中。

int main() {
    A a(1); // A::init(1)
    // this is the temporary that gets materialized in main's scope for the call to emplace_back
    auto wrapper = std::bind(func, 1, a); // A::copy(2);
    // emplace_back receives (a reference to) the temporary as an rvalue, and so it passes std::function's constructor a reference to the same object, also as an rvalue
    // but std::function's constructor only takes values...
    std::function<void(void)> f(std::move(wrapper));
    // initializing the parameter of constructor (in main/emplace_back's context): A::move(3)
    // constructor then initializes dynamically allocated object: A::move(4)
    // constructor destroys parameter object: A::delete(3)
    // f gets destroyed, takes dynamically allocated object with it: A::delete(4)
    // wrapper (the temporary) gets destroyed (originally at the ; after emplace_back): A::delete(2)
    // a gets destroyed: A::delete(1);
}
// Note: the reason A::delete(4) comes before A::delete(1) in my version but not yours is that your A(4) lives inside fv, which is created at the top of main and thus is the last thing destroyed, but mine lives inside f, which is created at the end and is the first thing destroyed

简化的不同之处在于您没有将 std::bind 的结果具体化为临时的。基本上，emplace_back 要求参数已经完全构建(就像任何函数调用一样)。所以你必须执行 std::bind(以及其中的拷贝)来调用 emplace_back，然后 then emplace_back 将该对象移动到构造函数参数。但是，当您将 std::bind 纯右值直接传递给 std::function 构造函数时，通过设置 std::bind 直接构造构造函数参数对象的结果对象在其执行期间传递给参数对象。

换一种说法:std::function 的构造函数必须用新创建的对象调用。使用 emplace_back 时，干预函数“忘记”了 std::bind 调用是一个新构造的对象，因此通过执行“无关”的移动来构造一个新对象.当您删除 emplace_back 时，std::bind 对象是新构造的这一事实不会被遗忘并且移动被省略。

另一种说法:emplace_back 所声称的“完美”转发实际上并不完美；这样的事情是不可能的(必须修改用户代码)。 “完美”转发将左值转发为左值，但将 xvalues 和 prvalues 折叠为 xvalues(通过要求在调用函数之前实现 prvalues)。使用亡值调用 std::function 的构造函数会导致两次移动，但使用纯右值调用会导致一次移动。您的第二个版本将纯右值传递给构造函数，但原始版本传递了一个亡值，因此它们具有不同的行为。

您可以使用包装仿函数获得所需的结果:

template<typename F>
struct initializer {
    F f;
    operator decltype(f())() && {
        return std::move(f)();
    }
};
int main(int argc, char *argv[]) {
    std::vector<std::function<void(void)>> fv;
    A a(1);
    cout << "call bind()" << endl;
    fv.emplace_back(
        initializer{[&]() -> std::function<void(void)> {
            return std::bind(func, 1, a);
        }});
    fv.front()();
    cout << "end of local scope" << endl;
}

这会将对 std::bind 的调用直接置于对 std::function 的构造函数(在 return)，所以纯右值直接初始化构造函数参数，没有任何干预。 std::function 也直接在 vector 的“空白”空间中构建，没有进一步移动(毕竟这就是 emplace_back 所做的)。