写这篇学习心得源自于一篇老外的文章
Member Function Pointers and the Fastest Possible C++ Delegates
，网上也有它对应的中文翻译，我随意找一篇：
http://www.cnblogs.com/jans2002/archive/2006/10/13/528160.html
。
文章中提到了高效C++委托，不过讲得太生涩了，以至于第一次看，没怎么明白。这里我把一些理解记录下来，并且以易理解的方式介绍一下高效C++委托。
一.我理解的委托
所谓委托，就是把工作交给别人来完成。我的理解就是在程序中，把本类的函数指针交给其它类，让其它类在需要的时候调用这个函数，完成某个功能。说简单点，就是一个函数回调的机制。为了实现这样一个回调的功能，我们可以通过对外暴露接口的方式，让外部持有该类的接口，必要时进行接口的回调。但是这样增加了调用者（受托者）和被调用者（几乎是委托者）的耦合关系，因为调用者必须知道这个接口，需要include接口头文件。为了减少这种耦合，常用的技术就是使用boost::function对象。委托者把要委托的函数指针打包成一个function对象，扔给受托者，让受托者在合适的时机完成功能，这样两边都可以不知道对方是如何实现的，没有接口的耦合，大家都只要#include function对象就行了。
二 function的原理
boost::function或许都用过，觉得用起来还可以，但是一看它的源代码，真的头晕，我怀疑它的作者写这个就是不想让别人看懂的，所以这里建议初学看loki库的functor。其实function的代码核心没那么复杂，如果没有宏的嵌套，没有文件迭代，一下就能看明白。我这里写一个简单的模拟boost::function的例子：
template<class T> class function;
template<typename R, typename A0, typename T>
class function<R (T::*)(A0) >
{
public:
typedef R(T::*fun)(A0);
function (fun p, T* pthis):m_ptr(p), m_pThis(pthis){}
R operator()(A0 a) {(m_pThis->*m_ptr)(a);}
fun m_ptr;
T* m_pThis;
};
class CA
{
public:
void Fun(int a) {cout << a;}
};
CA a;
function<void (CA::*)(int)> f(&CA::Fun, &a);
f(4); // 等价于a.Fun(4);
其实function的作用就是封装了this指针和函数指针保存起来，到必要的时候再调用。但也不要以为真正的boost::function和boost::bind就是如此简单，这里只把它的核心机制进行了模拟（甚至都没有实现解耦）。
二 成员函数指针的效率
boost::function是对成员函数指针的一层封装，重载的()操作符对函数参数进行了一次转发，因此，function的效率和直接调用成员函数指针差不多，甚至还要慢。即使对每个参数加上引用转发，也不能改变这个现状。那么成员函数指针调用的效率有多少呢？
看下面的实验
class B1
{
public: virtual void fb1()
{
printf("fb1");
}
};
class B2
{
public:
virtual void fb2(){}
};
class D1 : public B2, public B1
{
public: virtual void fb1()
{
printf("d1fb1");
}
};
class D2 : virtual public B1
{
public: virtual void fb1()
{
printf("d2fb1");
}
}; 画成类图就是
其中，D2是虚继承于B1，用粗箭头表示。
然后我们再写三个成员函数指针的调用，
第一个是调用自己的虚函数，第二个是调用多继承中的覆盖的第二个父类的虚函数，第三个是调用
覆盖的
虚基类的虚函数
B1* pb1 = new B1;
void (B1::*fpb1)() = &B1::fb1;
(pb1->*(fpb1))();
assert(assert(sizeof(fpb1) == 4));
D1* pd1 = new D1;
void (D1::*fpd1)() = &D1::fb1;
(pd1->*(fpd1))();
assert(sizeof(fpd1) == 8));
D2* pd2 = new D2;
void (D2::*fpd2)() = &D2::fb1;
(pb2->*(fpd2))();
assert(sizeof(fpd2) == 12));
对于这三个调用，在VC编译器下看它的release反汇编代码如下。
第一个：
0040656B mov ecx,dword ptr [ebp-10h]
0040656E call dword ptr [ebp-14h]
该处是取this指针，调用函数地址
第二个：
004065F0 mov ecx,dword ptr [ebp-18h]
004065F3 add ecx,dword ptr [ebp-20h]
004065F8 call dword ptr [ebp-24h]
该处是取this指针，偏移this指针，再调用函数地址
第三个：
004066BD mov ecx,dword ptr [ebp-2Ch]
004066C0 mov edx,dword ptr [ecx]
004066C2 mov eax,dword ptr [ebp-34h]
004066C5 mov ecx,dword ptr [ebp-2Ch]
004066C8 add ecx,dword ptr [edx+eax]
004066CB add ecx,dword ptr [ebp-38h]
004066CE mov esi,esp
004066D0 call dword ptr [ebp-3Ch]
该处是取this指针，移到虚基类列表，取虚基类地址，取虚基类偏移，调用函数地址。
（有关原理请参考我的另一个学习心得文章：
C++内存布局生成步骤
）
可见，成员函数指针在不同的情况下保存了不同的信息，做了不同的事。
第一种情况：
typedef void (B1::*FPB1)();
{
mem function address; // 4 bytes，成员函数地址
}
第二种情况：
typedef void (D1::*FPB1)();
{
mem function address; // 4 bytes;
，成员函数地址
delta added to this pointer; // 4 bytes，this指针偏移
}
第三种情况：
typedef void (D2::*FPB1)();
{
mem function address; // 4 bytes;
，成员函数地址
delta added to this pointer; // 4 bytes，this指针偏移
index in virtual base class table; // 4 byptes ,虚基类列表中的序号
}
大家也许做过成员函数指针转化为void*的事，无论怎么做，都编译不通过。只有解了成员函数指针的构成才会知道，void*才4个字节，无法容纳成员函数指针的信息。
在上面的三种情况中，第二种情况比第一种低效，第三种情况比第二种更低效。有没有什么方式让所有的成员函数指针调用都像第一种一样高效呢？答案是有的，即把所有的成员函数指针都当成第一类情况来处理。
三
构造快速的委托
我们可以定义一个通用的类GenericClass，把所有的其它类指针及成员函数指针转换为GenericClass类指针及它的成员函数指针。因此我们需要改造为下面的function
class GenericClass {};
template<class T> class function;
template<typename R, typename T>
class function<R (T::*)() >
{
public:
typedef R(GenericClass::*fun)();
function (fun p, T* pthis):m_ptr(p), m_pThis(pthis){}
R operator()() {(m_pThis->*m_ptr)();}
fun m_ptr;
GenericClass* m_pThis;
};
接下来，需要一个转换函数，把对应的类指针和其成员函数指针转换为GenericClass的指针。这一个转换函数需要写成一个模板函数，以便对应不同的成员函数指针有不同的转换算法。
template <int N>
struct SimplifyMemFunc
{ template <class X, class XFuncType, class GenericMemFuncType>
inline static GenericClass *Convert(X *pthis, XFuncType function_to_bind,
GenericMemFuncType &bound_func) { }
};
上面的实现有两处用到了模板参数，第一处是SimplifyMemFunc的模板参数，它让不同sizeof的函数指针用到不同的
SimplifyMemFunc类。第二处是Convert方法，使得它有能力接受不同类型的this指针和成员函数指针，Convert方法的三个参数分别代表转换前的this指针，转换前的成员函数指针，转换后的通用成员函数指针，Convert的返回是转换后的通用this指针。
对于成员函数指针大小只有4的时候，转换函数如下：
const int SINGLE_MEMFUNCPTR_SIZE = sizeof(void (GenericClass::*)());
template <>
struct SimplifyMemFunc<SINGLE_MEMFUNCPTR_SIZE>
{
template <class X, class XFuncType, class GenericMemFuncType>
inline static GenericClass *Convert(X *pthis, XFuncType function_to_bind,
GenericMemFuncType &bound_func)
{
bound_func = reinterpret_cast<GenericMemFuncType>(function_to_bind);
return reinterpret_cast<GenericClass *>((X*)pthis);
}
};这时只需要强转指针和函数指针。
当成员函数指针大小是8的时候，情况要复杂一些。这时，需要把this指针的偏移加上，再进行强转
template<>
struct SimplifyMemFunc< SINGLE_MEMFUNCPTR_SIZE + sizeof(int) > {
template <class X, class XFuncType, class GenericMemFuncType>
inline static GenericClass *Convert(X *pthis, XFuncType function_to_bind,
GenericMemFuncType &bound_func) {
union {
XFuncType func;
struct {
GenericMemFuncType funcaddress; // points to the actual member function
int delta; // #BYTES to be added to the 'this' pointer
}s;
} u;
u.func = function_to_bind;
bound_func = u.s.funcaddress;
return reinterpret_cast<GenericClass *>(reinterpret_cast<char *>(pthis) + u.s.delta);
}
};根据前面的推理，当成员函数指针大小为8的时候，后4个字节存放的是this指针的偏移，因此，这种情况下，构造了一个联合体将成员函数指针解析出来，分成函数地址和偏移两部分。再将偏移加在this上，作为转换后的通用this指针。
当成员函数指针大小是12的时候，情况最为复杂，已经不是单纯地加上一个偏移就能解决的了，这需要查一次虚基偏移表，虽然我们可以用代码写一串加法运算完成这一点，但这样太不优雅了，比较优雅一点的方法就是模拟一次通用类的调用，让编译器替我们去算这个偏移
struct MicrosoftVirtualMFP {
void (GenericClass::*codeptr)(); // points to the actual member function
int delta; // #bytes to be added to the 'this' pointer
int vtable_index; // or 0 if no virtual inheritance
};
struct GenericVirtualClass : virtual public GenericClass
{
typedef GenericVirtualClass * (GenericVirtualClass::*ProbePtrType)();
GenericVirtualClass * GetThis() { return this; }
};
template <>
struct SimplifyMemFunc<SINGLE_MEMFUNCPTR_SIZE + 2*sizeof(int) >
{
template <class X, class XFuncType, class GenericMemFuncType>
inline static GenericClass *Convert(X *pthis, XFuncType function_to_bind,
GenericMemFuncType &bound_func) {
union {
XFuncType func;
GenericClass* (X::*ProbeFunc)();
MicrosoftVirtualMFP s;
} u;
u.func = function_to_bind;
bound_func = reinterpret_cast<GenericMemFuncType>(u.s.codeptr);
union {
GenericVirtualClass::ProbePtrType virtfunc;
MicrosoftVirtualMFP s;
} u2;
u2.virtfunc = &GenericVirtualClass::GetThis;
u.s.codeptr = u2.s.codeptr;
return (pthis->*u.ProbeFunc)();
}
};这里构造函数指针u和u2,u指向的就是传入的函数指针。u2指向的是&GenericVirtualClass::GetThis。这时，把u2的函数地址赋值给u.u的指针结构就产生了如图的变化。
这时再对this指针调用这个u函数指针，就达到了偏移的效果
下面给出全部的代码：
class B1
{
public: virtual void fb1()
{
printf("fb1");
}
};
class B2
{
public:
virtual void fb2(){}
};
class D1 : public B2, public B1
{
public: virtual void fb1()
{
printf("fb2");
}
};
class D2 : virtual public B1
{
public: virtual void fb1()
{
printf("d2fb1");
}
};
class GenericClass {};
template<class T> class function;
template<typename R, typename T>
class function<R (T::*)() >
{
public:
typedef R(GenericClass::*fun)();
function (fun p, T* pthis):m_ptr(p), m_pThis(pthis){}
R operator()() {(m_pThis->*m_ptr)();}
fun m_ptr;
GenericClass* m_pThis;
};
template <int N>
struct SimplifyMemFunc
{
template <class X, class XFuncType, class GenericMemFuncType>
inline static GenericClass *Convert(X *pthis, XFuncType function_to_bind,
GenericMemFuncType &bound_func) { }
};
const int SINGLE_MEMFUNCPTR_SIZE = sizeof(void (GenericClass::*)());
template <>
struct SimplifyMemFunc<SINGLE_MEMFUNCPTR_SIZE>
{
template <class X, class XFuncType, class GenericMemFuncType>
inline static GenericClass *Convert(X *pthis, XFuncType function_to_bind,
GenericMemFuncType &bound_func)
{
bound_func = reinterpret_cast<GenericMemFuncType>(function_to_bind);
return reinterpret_cast<GenericClass *>(pthis);
}
};
template<>
struct SimplifyMemFunc< SINGLE_MEMFUNCPTR_SIZE + sizeof(int) > {
template <class X, class XFuncType, class GenericMemFuncType>
inline static GenericClass *Convert(X *pthis, XFuncType function_to_bind,
GenericMemFuncType &bound_func) {
union {
XFuncType func;
struct {
GenericMemFuncType funcaddress; // points to the actual member function
int delta; // #BYTES to be added to the 'this' pointer
}s;
} u;
u.func = function_to_bind;
bound_func = u.s.funcaddress;
return reinterpret_cast<GenericClass *>(reinterpret_cast<char *>(pthis) + u.s.delta);
}
};
struct MicrosoftVirtualMFP {
void (GenericClass::*codeptr)(); // points to the actual member function
int delta; // #bytes to be added to the 'this' pointer
int vtable_index; // or 0 if no virtual inheritance
};
struct GenericVirtualClass : virtual public GenericClass
{
typedef GenericVirtualClass * (GenericVirtualClass::*ProbePtrType)();
GenericVirtualClass * GetThis() { return this; }
};
template <>
struct SimplifyMemFunc<SINGLE_MEMFUNCPTR_SIZE + 2*sizeof(int) >
{
template <class X, class XFuncType, class GenericMemFuncType>
inline static GenericClass *Convert(X *pthis, XFuncType function_to_bind,
GenericMemFuncType &bound_func) {
union {
XFuncType func;
GenericClass* (X::*ProbeFunc)();
MicrosoftVirtualMFP s;
} u;
u.func = function_to_bind;
bound_func = reinterpret_cast<GenericMemFuncType>(u.s.codeptr);
union {
GenericVirtualClass::ProbePtrType virtfunc;
MicrosoftVirtualMFP s;
} u2;
u2.virtfunc = &GenericVirtualClass::GetThis;
u.s.codeptr = u2.s.codeptr;
return (pthis->*u.ProbeFunc)();
}
};
template<typename R, typename T, typename X>
function<R (GenericClass::*)() > MakeDelegate(T* pthis, R (X::*mem_fun)())
{
typedef R (GenericClass::*GenericMemFuncType) ();
GenericMemFuncType pGenFun;
GenericClass* pGenThis = SimplifyMemFunc<sizeof(mem_fun)>::Convert(pthis, mem_fun, pGenFun);
return function<R (GenericClass::*)() >(pGenFun, pGenThis);
}
int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])
{
B1 b1;
D1 d1;
D2 d2;
function<void (GenericClass::*)() > f1 = MakeDelegate(&b1, &B1::fb1);
function<void (GenericClass::*)() > f2 = MakeDelegate(&d1, &D1::fb1);
function<void (GenericClass::*)() > f3 = MakeDelegate(&d2, &D2::fb1);
f1();
f2();
f3();
return 0;
}
三
与boost的效率比较
下载了FastDelegate库，将它与boost运行效率作比较，发现效率提升了1倍多。
D2* pd21 = new D2;
boost::function<int ()> bf = boost::bind(&D2::fb1, pd21);
for (int i = 0; i < 100000000; ++i)
{
bf(); // 1392 ms
}
D2* pd22 = new D2;
for (int i = 0; i < 100000000; ++i)
{
pd22->fb1(); // 726 ms
}
D2* pd23 = new D2;
fastdelegate::FastDelegate0<int> MyDelegate;
MyDelegate.bind(pd23, &D2::fb1);
for (int i = 0; i < 100000000; ++i)
{
MyDelegate(); // 551ms
}
当然，一个应用程序的瓶颈绝不应在此，这里只是提出了一种在编译期优化问题的思想，可以借鉴学习。