为什么允许带有签名 void (X) 的 std::function 绑定到函数 void f(X&&)？

Question

在下面的代码中，为什么允许std::function<void (X)> 绑定到函数void f(X&&)？

#include <functional>
struct X {};

void f1(X x) {}
void f2(X& x) {}
void f3(const X&) {}
void f4(X&& x) {}

int main()
{
    X x;
    
    f1(x);  // ok
    f2(x);  // ok
    f3(x);  // ok
//    f4(x);  // doesn't compile

    std::function<void (X)> ff1(f1);    // ok
    //std::function<void (X)> ff2(f2);  // doesn't compile
    std::function<void (X)> ff3(f3);    // ok
    std::function<void (X)> ff4(f4);    // ok... why?

    return 0;
}

Demo

为什么允许这样做的直觉是什么，std::function 将如何实现它，以及当您将左值参数传递给std::function 时它实际上意味着什么，然后它会调用接受右值引用的函数?

Answer 1

您可能知道，std::function 类型是任何类函数类型的多态包装器。其中包括函数指针、带有operator() 的类和 lambdas。

由于它必须实现类型擦除，它只检查您发送的内容是否可以使用它接收的参数进行调用。类型擦除将简单地进行隐式转换，就像任何函数调用一样。

如果您查看 std::function::function 的 cppreference 页面，您会注意到这个要求：

5) 用std::move(f) 初始化目标。如果f 是指向的空指针 函数或指向成员的空指针，*this 在 称呼。此构造函数不参与重载决议 除非 f 对于参数类型 Args... 和返回类型 R 是 Callable。

确实，X 类型的表达式完全可以绑定到X&& 类型的右值引用。试试这个：

X&& x = X{};

// likewise, both prvalue and xvalue works:
f4(X{});
f4(std::move(x));

在本例中，X{} 是 X 类型的纯右值。右值引用可以绑定到这样的临时对象。

在std::function 中，每个参数都被转发。转发就像听起来一样：它转发参数以调用被包装的函数，就像你直接调用它一样。但是转发不保持纯正确性，而是将参数作为 xvalue 转发。 xvalues 和 prvalues 都是 rvalue 的特例。

在std::function 和转发的上下文中，将参数传递给包装函数对X 和X&& 使用相同的表达式。 prvalue-ness 不能在没有缺点的情况下被转发。

要了解更多关于转发的信息，请参阅What are the main purposes of using std::forward and which problems it solves?

隐式转换可以走得更远：从double 到int。实际上，如果您将浮点类型发送给采用int 的函数，那么遗憾的是，C++ 将执行隐式转换。 std::function 实现无法避免这种影响。考虑这个例子：

#include <functional>
#include <cstdio>

int main() {
    auto const f = std::function<void(double)>{
        [](int a) {
            std::printf("%d", a);
        }
    };

    f(9.8); // prints 9

    return 0;
}

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这是可能的，因为std::function 是函数对象的包装器。函数指针必须是确切的类型。

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此外，f2 无法编译，因为对左值 (X&) 的可变引用无法绑定临时值。所以X& x = X{} 不起作用，X& x2 = std::move(x1) 也不起作用。

另外，f4(x) 不要编译，因为x 不是临时的。表达式(x) 实际上是X&。 X&& 只绑定到临时的，如X{} 或std::move(x)。要将变量转换为临时变量，您需要使用 std::move，它会执行转换。详情请见Why do I have to call move on an rvalue reference?。