std::function/模板/裸函数指针选型指南

选择 std::function、模板还是裸函数指针，核心在于权衡灵活性、性能和代码复杂度。以下是详细的决策指南：

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快速决策图

是否需要存储回调？（类成员、容器、跨函数传递）
├── 是 → 是否需要类型擦除？（存储不同类型但相同签名的可调用对象）
│   ├── 是 → std::function（或 std::function_ref C++23）
│   └── 否 → 模板（如 std::vector<具体类型>）
└── 否 → 编译时确定类型？
    ├── 是 → 模板（零开销，最优性能）
    └── 否 → 裸函数指针（C接口、极简场景）

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详细场景对比

1. 模板（template<typename F>）--- 首选，如果可能

适用场景：

• 回调只在单个函数内使用，不需要存储
• 性能敏感（高频调用）
• 编译时就能确定可调用对象类型

// ✅ 推荐：零开销抽象
template<typename Func>
void execute(Func&& func) {
    func();  // 直接内联，无间接调用开销
}

// 使用
execute([]{ std::cout << "lambda\n"; });
execute(my_functor);
execute(free_function);

优点：

• 零运行时开销（完全内联）
• 支持任意可调用对象（lambda、仿函数、函数指针）
• 类型安全，编译期检查

缺点：

• 不能存储（无法作为类成员或放入容器）
• 必须在头文件中实现（或显式实例化）
• 编译时间可能增加

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2. std::function --- 需要类型擦除时

适用场景：

• 需要存储回调（类成员变量）
• 需要放入容器（std::vector<std::function<...>>）
• 需要运行时多态（不同类型，相同签名）
• 跨层传递（如从UI层传递到业务层）

// ✅ 推荐：需要存储的场景
class TaskScheduler {
    std::vector<std::function<void()>> tasks_;  // 存储不同类型任务
    
public:
    void add(std::function<void()> task) {  // 接受任何可调用对象
        tasks_.push_back(std::move(task));
    }
    
    void run() {
        for (auto& t : tasks_) t();
    }
};

// 可以混合添加：
scheduler.add([]{ /* lambda */ });
scheduler.add(std::bind(&Class::method, &obj));
scheduler.add(free_function);

优点：

• 极强的灵活性，真正的类型擦除
• 可以存储、复制、移动
• 接口清晰，解耦调用方和实现方

缺点：

• 运行时开销（通常 1-2 次间接跳转）
• 可能堆分配（大 lambda/仿函数）
• 可能抛出 bad_function_call

性能优化：

// C++23 引入 std::function_ref：轻量级、非拥有、零分配
void process(std::function_ref<void(int)> callback);  // 只读引用，不存储

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3. 裸函数指针 --- C 接口或极简场景

适用场景：

• C 语言接口/兼容
• 系统级编程（信号处理、线程创建）
• 绝对零开销且确定无捕获 lambda
• 嵌入式/资源极度受限环境

// ✅ 推荐：C API 回调
void qsort(void* base, size_t n, size_t size, 
           int (*cmp)(const void*, const void*));  // C 标准库

// ✅ 推荐：信号处理
void (*signal(int sig, void (*func)(int)))(int);

// ❌ 不推荐：现代 C++ 应用开发
void register_callback(void (*cb)(int));  // 无法接受 lambda！

优点：

• 最小内存占用（通常 4/8 字节）
• 与 C 完全兼容
• 最简单的 ABI

缺点：

• 无法接受有捕获的 lambda
• 无法接受仿函数
• 类型不安全（void* 转换）

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实战选择指南

场景	推荐方案	理由
算法中的自定义比较/操作	模板	std::sort(begin, end, cmp) 式接口
事件/回调系统	std::function	需要存储不同监听者
依赖注入/策略模式	模板 或 std::function	模板编译期确定，std::function 运行时切换
跨 DLL 边界	std::function 或 裸指针	注意 ABI 兼容性
C API 封装	裸指针	被迫使用
高频调用（>100万次/秒）	模板	避免虚函数开销
延迟执行/任务队列	std::function	必须存储
配置驱动（运行时决定行为）	std::function	运行时多态

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现代 C++ 演进（C++23）

// C++23 std::function_ref：只读、非拥有、零分配
void process(std::function_ref<int(int)> op);

// 对比：
// std::function      : 拥有，可存储，有分配开销
// std::function_ref  : 不拥有，轻量，仅借用
// 模板               : 编译期确定，最优性能，无存储能力

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总结建议

1. 默认用模板：如果不需要存储，模板是零成本抽象的黄金标准
2. 存储用 std::function：需要放入容器或类成员时
3. C 接口用裸指针：被迫场景，或极端资源受限
4. 关注 C++23 ：std::function_ref 可能成为"需要引用但不存储"场景的最佳选择

核心原则 ：先尝试模板，遇到存储需求再降级到 std::function，裸指针作为最后手段。