为什么C++中有函数指针还需要std::function？

现在你应该明白函数指针了，细心的同学可能会有一个疑问，为什么编译器在生成可执行文件时就知道函数func存放在内存地址0x400526上呢？这不应该是程序被加载到内存后开始运行时才能确定的吗？

大家好，我是小风哥。

C/C++中可以使用指针指向一段代码，这个指针就叫函数指针，假设有这样一段代码：

#include <stdio.h>

int func(int a) {
  return a + 1;
}

void main() {
   int (*f)(int) = func;
   printf("%p\n", f);
}

我们定义了一个函数func，然后使用指针变量f指向该函数，然后打印出变量f指向的地址，代码很简单，然后我们编译一下，看下编译后生成的指令，我们重点关注func函数：

0000000000400526 <func>:
  400526:       55                      push   %rbp
  400527:       48 89 e5                mov    %rsp,%rbp
  40052a:       89 7d fc                mov    %edi,-0x4(%rbp)
  40052d:       8b 45 fc                mov    -0x4(%rbp),%eax
  400530:       83 c0 01                add    $0x1,%eax
  400533:       5d                      pop    %rbp
  400534:       c3                      retq

可以看到，编译好后的函数func位于地址0x400526这个地址，让我们记住这个地址。

然后运行一下编译后生成的程序，想一想这段代码会输出什么呢？

显然应该是func函数的在内存中的地址！

$ ./a.out
0x400526

没有猜错吧，实际上函数指针本质也是一个指针，只不过这个指针指向的不是内存中的一段数据而是内存中的一段代码，就像这样：

看到了吧，我们常说的指针一般都是指向内存中的一段数据，而函数指针指向了内存中的一段代码，在这个示例中指向了内存地址0x400526，在这个地址中保存了函数func的机器指令。

现在你应该明白函数指针了，细心的同学可能会有一个疑问，为什么编译器在生成可执行文件时就知道函数func存放在内存地址0x400526上呢？这不应该是程序被加载到内存后开始运行时才能确定的吗？

函数指针的作用是可以把一段代码当做一个变量传来传去，主要的用途之一就是回调函数，关于回调函数你可以参考《回调函数的实现原理》这篇文章。

关于回调函数其实是在A模块定义，在B模块被调用，就像这样：

然而有时我们会有这样的场景，我们依然需要在模块A定义函数，同时函数A的运行需要依赖B模块产生的数据，然后将模块A定义的函数和模块B产生的数据一并传递给C模块来调用，就像这样：

此时，单纯的函数指针已经不够用了，因为函数指针只是单纯的指向了内存中的一段代码，我们不但需要将内存中的一段代码同时也需要将内存中的一块数据传递给模块C，此时你可以定义一个结构体，将代码和数据打包起来，就像这样：

typedef void (*func) (int);

struct closure{
  func f;
  int arg;    
};

我们将这个结构体命名为closure，注意看，这个结构中有两部分：

• 一个指向代码的指针变量
• 一个保存数据的变量

这样，我们在A模块为指针变量赋值，在B模块为保存数据的变量赋值，然后将此结构体传递给模块C，模块C中可以这样使用：

void run(struct functor func) {
    func->f(func->arg);
}

即，closure既包含了一段代码也包含了这段代码使用的数据，这里的数据也被称为context，即上下文，或者environment，即环境，不管怎么称呼，其实就是函数运行依赖的数据：

而这也正是C++中std::function的目的所在。

单纯的函数指针并没有捕捉上下文的能力，这里的上下文就是指代码依赖的数据，你不得不自己动手构造出一个结构体用来存储代码依赖的上下文。

在C++中你没有办法单纯的利用函数指针指向对象的成员函数，就是因为函数指针没有办法捕捉this(指向对象的指针)这个上下文。

std::function的作用本质上和我们刚才定义的结构体区别不大。

利用std::function你不但可以保存一段代码，同时也可以保存必要的上下文，然后在合适的地方基于上下文调用这段代码。

同时std::function也更加通用，你可以用其存储任何可以被调用的对象(callable object)，只要有正确的函数签名即可。