4.6 C++ Boost 函数绑定回调库

Boost 库是一个由C/C++语言的开发者创建并更新维护的开源类库，其提供了许多功能强大的程序库和工具，用于开发高质量、可移植、高效的C应用程序。Boost库可以作为标准C库的后备，通常被称为准标准库，是C标准化进程的重要开发引擎之一。使用Boost库可以加速C应用程序的开发过程，提高代码质量和性能，并且可以适用于多种不同的系统平台和编译器。Boost库已被广泛应用于许多不同领域的C++应用程序开发中，如网络应用程序、图像处理、数值计算、多线程应用程序和文件系统处理等。

Boost库中提供了函数对象库，可以轻松地把函数的参数和返回值进行绑定，并用于回调函数。这个库的核心就是bind函数和function类。

bind函数可以将一个函数或函数对象和其参数进行绑定，返回一个新的函数对象。通过这个新的函数对象，我们就可以将原有的函数或函数对象当做参数传来传去，并可以传递附加的参数，方便实现参数绑定和回调函数。function类用于表示一种特定的函数签名，可以在不知道具体函数的类型时进行类型擦除，并把这个函数作为参数传递和存储。通过function类，我们可以在编译时确定函数的类型，而在运行时将不同类型的函数封装成统一的类型，这为实现回调函数提供了便利。

6.1 reference_wrapper

包装器主要用于防止参数传递时的多次拷贝问题，boost.ref应用代理模式，引入包装器来解决该问题。

使用包装器时，我们获取变量数据的方式就需要改为利用内置函数get获得，此时get相当于一个代理，他帮我们去修改后面的变量，从而实现对变量的安全访问。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <functional>
#include <boost/ref.hpp>

using namespace std;
using namespace boost;

int main(int argc,char *argv[])
{
  // 应用于整数类型的包装
  int x = 0;
  boost::reference_wrapper<int> int_ptr(x);
  
  (int &)int_ptr = 200;
  std::cout << "修改后的数值: " << int_ptr.get() << std::endl;

  // 应用于字符串类型的包装
  std::string my_string;
  boost::reference_wrapper<std::string> string_ptr(my_string);

  *string_ptr.get_pointer() = "hello lyshark";
  std::cout << "字符串: " << string_ptr.get().c_str() << " 长度: " << string_ptr.get().size() << std::endl;

  // ref 自动推导包装器
  double y = 3.14;
  auto rw = boost::ref(y);

  (double &)rw = 2.19;
  std::cout << "自动推导: " << rw.get() << " 类型: " << typeid(rw).name() << std::endl;

  std::system("pause");
  return 0;
}

操作包装，ref库提供了用于模板源编程的特征类，is_reference_wrapper和unwrap_reference用于检测reference_wrapper对象，而unwrap_ref()用于解开包装，并返回包装对象的引用。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <set>
#include <functional>
#include <boost/ref.hpp>

using namespace std;
using namespace boost;

int main(int argc,char *argv[])
{
  // 验证容器是否被包装
  std::vector<int> vect(1,2);

  auto int_vect_ptr = boost::cref(vect);
  std::cout << "是否包装: " << is_reference_wrapper<decltype(int_vect_ptr)>::value << std::endl;
  std::cout << "是否包装: " << is_reference_wrapper<decltype(vect)>::value << std::endl;

  // 解包类型
  std::string str;
  auto str_ptr = boost::ref(str);
  std::cout << "解包类型: " << typeid(unwrap_reference<decltype(str_ptr)>::type).name() << std::endl;
  std::cout << "解包类型: " << typeid(unwrap_reference<decltype(str)>::type).name() << std::endl;

  // 包装与解包
  std::set<int> vect_ptr;
  auto rw = boost::ref(vect_ptr);

  unwrap_ref(rw).insert(10);
  unwrap_ref(rw).insert(20);

  std::cout << "元素数: " << rw.get().size() << std::endl;

  std::system("pause");
  return 0;
}

如下案例中，我们首先定义一个MyClass类，其内部存在一个设置方法和一个获取方法，通过外部调用void print(T item)并传递对象，实现解包输出。

#include <iostream>
#include <functional>
#include <boost/ref.hpp>

using namespace std;
using namespace boost;

class MyClass
{
private:
  int uuid;
public:
  MyClass() { uuid = 0; }

  void SetValue(int x)
  {
    uuid = x;
  }
  void ClassPrint()
  {
    std::cout << "当前数值: " << uuid++ << std::endl;
  }
};

template<typename T>
void print(T item)
{
  // 解包时赋值操作
  unwrap_ref(item).SetValue(20);

  for (int i = 0; i < 10; ++i)
  {
    // 输出解包数据 
    unwrap_ref(item).ClassPrint();
  }
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  MyClass student;
  auto ptr = boost::ref(student);
  
  print(ptr);

  std::system("pause");
  return 0;
}

6.2 Bind

bind()是Boost库中的绑定函数，功能与标准库中的std::bind()函数类似，可以用于绑定一个可调用对象和一些参数，并返回一个新的可调用对象。使用boost::bind()函数可以方便地生成函数对象，在函数对象中保存一些函数参数。

bind()函数的一大优势是可以匹配任何可调用对象，包括函数、成员函数、函数指针、成员函数指针等。在使用boost::bind()函数时，需要通过占位符指定参数的位置，例如_1表示第一个参数，_2表示第二个参数，以此类推。

默认的bind通常是以适配器bind1st/bind2nd存在，而boost中的bind函数远远比默认的绑定函数强大，其最多可以绑定9个函数参数，且对绑定对象的要求也很低，可在没有result_type内部类型定义的情况下完成对函数对象的绑定操作。

首先来看一下使用bind完成针对普通函数的绑定，以及通过占位符实现指针函数绑定的操作。

#include <iostream>
#include <string>
#include <boost/bind.hpp>

using namespace std;
using namespace boost;

int MyFunctionA(int x, int y)
{
  std::cout << "x = " << x << " y = " << y << std::endl;
  return x + y;
}

std::string MyFunctionB(std::string x, int y,int z)
{
  std::cout << "x = " << x << " y = " << y << " z = "<< z << std::endl;
  return x;
}

int main(int argc,char *argv[])
{
  // 绑定普通函数
  auto ref_a = boost::bind(MyFunctionA, 20, 10)();
  cout << "绑定调用: " << ref_a << endl;

  auto ref_b = boost::bind(MyFunctionB, "lyshark", 10001,25);
  std::cout << "绑定调用: " << ref_b() << std::endl;

  // 绑定时指定占位符
  int x = 10, y = 20;
  auto ref_c = boost::bind(MyFunctionA, _1, 9)(x);     // bind(MyFunctionA,x,9)
  auto ref_d = boost::bind(MyFunctionA, _1, _2)(x,y);  // bind(MyFunctionA,x,y)

  auto ref_e = boost::bind(MyFunctionB, _1, 1001, _2)("lyshark", 22); // bind(MyFunctionB,"lyshark",1001,22)
  auto ref_f = boost::bind(MyFunctionB, _3, _2, _2)(x, y, "admin");   // bind(MyFunctionB,10,20,"admin")

  // 绑定指针函数
  typedef decltype(&MyFunctionA) a_type;
  typedef decltype(&MyFunctionB) b_type;

  a_type a_ptr = MyFunctionA;
  b_type b_ptr = MyFunctionB;

  int a = 100, b = 200, c = 300;

  std::cout << "绑定A指针: " << boost::bind(a_ptr, _1, 10)(a) << std::endl;
  std::cout << "绑定B指针: " << boost::bind(b_ptr, _3, _2, _1)(a, b, "lyshark") << std::endl;

  std::system("pause");
  return 0;
}

通常bind还可以绑定成员函数，在绑定成员函数时，必须将其绑定到对象或者指针上，因此使用bind绑定时需要牺牲一个占位符的位置，该绑定最多支持绑定8个参数。

#include <iostream>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <boost\bind.hpp>

using namespace std;
using namespace boost;

struct struct_function
{
  int func(int x, int y)
  {
    return x*y;
  }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  // 绑定成员函数
  struct_function struct_ptr;
  auto struct_ref = boost::bind(&struct_function::func, struct_ptr, _1, _2)(10, 20);
  cout << "绑定调用: " << struct_ref << endl;

  // 绑定到对组上
  typedef std::pair<int, std::string> pair_t;
  pair_t pair_ptr(1001, "hello lyshark");
  std::cout << "对组Key: " << boost::bind(&pair_t::first, pair_ptr)() << std::endl;
  std::cout << "对组Value: " << boost::bind(&pair_t::second, pair_ptr)() << std::endl;

  std::system("pause");
  return 0;
}

如下代码实现绑定到成员变量上，代码中boost::bind(&point::x, _1)取出point对象中的变量x，利用std::transform算法调用bind表达式操作容器vect，并逐个读取出来并把成员变量填充到bind_vect中。

struct point
{
  int x;
  point(int uuid = 0)
  {
    x = uuid;
  }
  void set_value(int uuid)
  {
    x = uuid;
  }
};

  std::vector<point> vect(10);
  std::vector<int> bind_vect(10);

  std::transform(vect.begin(), vect.end(), bind_vect.begin(), boost::bind(&point::x, _1));
  for (auto x : bind_vect)
  {
    std::cout << x << std::endl;
  }

同理，bind同样支持绑定到任意函数对象上，包括标准库中的预定义对象。

如果函数对象中存在result_type定义，那么可以直接使用bind绑定，其会自动的推导出返回值类型，如果没有则需要在绑定时指定返回值类型。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <string>
#include <algorithm>
#include <boost\bind.hpp>

using namespace std;
using namespace boost;

struct struct_function
{
  int operator()(int x, int y)
  {
    return x + y;
  }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  std::cout << boost::bind<int>(struct_function(), _1, _2)(10, 20) << std::endl;
  std::system("pause");
  return 0;
}

6.3 Function

function是Boost库中的一个函数模板，与std::function类似，可以存储任何可调用对象，并且可以使用()运算符来调用存储的可调用对象。使用boost::function函数对象时，需要在实例化时指定函数对象的签名，从而指定输入参数和返回类型。

function使用起来非常灵活，可以将函数指针、函数对象、成员函数指针等各种可调用对象作为输入参数，并且可以绑定一部分函数参数，生成新的函数对象。

下面是一个简单的示例代码，演示了如何使用boost::function库来绑定函数：

#include <iostream>
#include <boost/function.hpp>

double my_func(int x, double y) {
    return x * y;
}

class MyClass {
public:
    int my_member_func(int x, int y) {
        return x + y;
    }
};

int main() {
    using namespace boost;

    function<double(int, double)> f1 = bind(my_func, 10, _1);
    std::cout << "f1(2.0): " << f1(2.0) << std::endl; // 输出 20.0

    MyClass obj;
    function<int(int)> f2 = bind(&MyClass::my_member_func, &obj, _1, 20);
    std::cout << "f2(10): " << f2(10) << std::endl; // 输出 30

    return 0;
}

在本示例中，我们使用boost::function库分别定义了函数对象f1和函数对象f2，并分别绑定了函数my_func和类MyClass中的成员函数my_member_func。在使用boost::function时，需要先使用bind()函数将可调用对象和一些参数进行绑定，返回一个新的函数对象，然后将其赋值给boost::function对象。在bind()函数中，占位符_1表示绑定参数的位置。

在本示例中，函数对象f1将my_func的第一个参数设为10，第二个参数为绑定参数。函数对象f2将MyClass对象obj的成员函数my_member_func的第二个参数设为20，第一个参数为绑定参数。

boost::function灵活易用，能够支持各种可调用对象的绑定和操作，并且可以将函数对象存储在各种数据结构中。因此，在需要灵活处理函数对象时，boost::function通常是一个很好的选择。

function是一个函数对象的容器，是一种智能函数指针，其以对象形式封装，可用于函数的回调，暂时保管函数或函数对象，在需要的时候在调用，能够更好的实现回调。

#include <iostream>
#include <string>
#include <boost\function.hpp>
#include <boost\bind.hpp>

using namespace std;

float MyFunc(int x, int y)
{
  return x + y;
}

struct MyStruct
{
  int add(int x, int y)
  {
    return x *y;
  }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  // function 指向普通函数
  boost::function<float(int, int)> function_ptr;

  function_ptr = MyFunc;     // 将MyFunc用ptr来存储
  if (function_ptr)
  {
    cout << "调用指针: " << function_ptr(10, 20) << endl;
  }
  function_ptr = 0;

  // function 指向成员函数
  boost::function<int(int, int)> struct_ptr;
  MyStruct sc;

  struct_ptr = boost::bind(&MyStruct::add, &sc, _1, _2);
  cout << "调用指针: " << struct_ptr(10, 20) << endl;

  std::system("pause");
  return 0;
}

function函数拷贝代价较大，此时可以使用ref库实现以引用的方式传递参数，从而降低function函数的拷贝代价。

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <boost\bind.hpp>
#include <boost\function.hpp>

using namespace std;

template<typename T>
struct summary
{
  typedef void result_type;
  T sum;

  summary(T v = T()) : sum(v){}
  void operator()(T const &x)
  {
    sum += x;
  }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  vector<int> vect = { 1, 3, 5, 7, 9 };
  summary<int> s;                                          // 定义有状态函数对象

  boost::function<void(int const&)> func(boost::ref(s));   // function包装引用

  std::for_each(vect.begin(), vect.end(), func);
  cout << "求和结果: " << s.sum << endl;

  std::system("pause");
  return 0;
}

function可用于替代函数指针，存储回调函数，其可以实现普通回调函数。

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <boost\bind.hpp>
#include <boost\function.hpp>

using namespace std;

// 定义回调函数
void call_back_func(int x)
{
  cout << "执行回调函数(数值翻倍): " << x * 2 << endl;
}

// function 类型定义
class MyClass
{
private:
  typedef boost::function<void(int)> func_ptr;
  func_ptr func;
  int n;

public:
  // 定义构造函数
  MyClass(int i) :n(i){}

  // 存储回调函数
  template<typename CallBack>
  void accept(CallBack call)
  {
    func = call;
  }
  // 运行函数
  void run()
  {
    func(n);
  }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  MyClass ptr(10);

  ptr.accept(call_back_func);    // 传入回调函数
  ptr.run();

  std::system("pause");
  return 0;
}

通过ref库传递引用，实现带状态的回调函数。

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <boost\bind.hpp>
#include <boost\function.hpp>

using namespace std;

class MyClass
{
private:
  typedef boost::function<void(int)> func_ptr;
  func_ptr func;
  int n;

public:
  // 定义构造函数
  MyClass(int i) :n(i){}

  // 存储回调函数
  template<typename CallBack>
  void accept(CallBack call)
  {
    func = call;
  }
  // 运行函数
  void run()
  {
    func(n);
  }
};

class call_back_obj
{
  private:
    int x;

  public:
    call_back_obj(int i) :x(i){}
    void operator()(int i)
    {
      cout << "回调函数: " << i * x << endl;
    }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  MyClass ptr(10);
  call_back_obj call_obj(2);

  ptr.accept(ref(call_obj));

  ptr.run();
  ptr.run();

  std::system("pause");
  return 0;
}

有时候我们需要一次性绑定多个回调函数，此时通过类绑定，即可实现多个callback共存。

#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include <boost\bind.hpp>
#include <boost\function.hpp>

using namespace std;

class MyClass
{
private:
  typedef boost::function<void(int)> func_ptr;    // function 类型定义
  func_ptr func;
  int n;

public:
  // 定义构造函数
  MyClass(int i) :n(i){}

  // 存储回调函数
  template<typename CallBack>
  void accept(CallBack call)
  {
    func = call;
  }
  // 运行函数
  void run()
  {
    func(n);
  }
};

class call_back_factory
{
public:
  void call_back_func_a(int x)
  {
    cout << "回调函数1: " << x * 2 << endl;
  }

  void call_back_func_b(int x, int y)
  {
    cout << "回调函数2: " << x * y << endl;
  }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  MyClass ptr(10);
  call_back_factory factory;

  ptr.accept(bind(&call_back_factory::call_back_func_a, factory, _1));
  ptr.run();

  ptr.accept(bind(&call_back_factory::call_back_func_b, factory, _1, 200));
  ptr.run();

  std::system("pause");
  return 0;
}

6.4 Signals

Boost.Signals2是Boost库中一个非常强大的信号/槽机制，它提供了类似于Qt中Signals and Slots机制的功能。Boost.Signals2库提供了一个boost::signals2::signal类，用于生成信号对象，并能够将槽函数与信号对象连接在一起。

与Qt Signals and Slots机制不同的是，Boost.Signals2库不需要特定的宏或标记来识别信号和槽函数，而是通过C类型的机制实现。由于它是一个标准的C库，并且不需要任何其他依赖，因此可以在不使用整个Qt库的情况下使用它。

下面是一个简单的示例代码，实一个简单的信号和槽函数的案例，如下案例定义信号，并分别连接到两个槽函数上。

#include <iostream>
#include <string>
#include <boost\signals2.hpp>

using namespace std;

void slots_a()
{
  cout << "slots_a called" << endl;
}

void slots_b()
{
  cout << "slots_b called" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::signals2::signal<void()> sig;    // 定义信号对象

  sig.connect(&slots_a);                  // 链接到槽函数
  sig.connect(&slots_b);
  sig();                                  // 发射信号

  std::system("pause");
  return 0;
}

connect()函数提供了组号的概念，默认情况组号是int类型，组号可以指定组内成员的调用顺序，如下代码我们新建slots模板类，让其可以动态生成一些列插槽，演示组号与调用顺序之间的关系。

#include <iostream>
#include <string>
#include <boost\signals2.hpp>

using namespace std;

template<int T>
struct MySlots
{
  void operator()()
  {
    std::cout << "槽函数: " << T << " 被调用" << std::endl;
  }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::signals2::signal<void()> sig;

  // 普通的链接
  sig.connect(MySlots<1>(), boost::signals2::at_back);        // 最后被执行
  sig.connect(MySlots<25>(), boost::signals2::at_front);      // 第一个执行

  // 带有组号的链接
  sig.connect(6, MySlots<65>(), boost::signals2::at_back);    // 组号6 第三个执行
  sig.connect(6, MySlots<66>(), boost::signals2::at_front);

  sig.connect(3, MySlots<98>(), boost::signals2::at_back);    // 组号3 第二个执行
  sig.connect(3, MySlots<99>(), boost::signals2::at_front);

  sig.connect(10, MySlots<10>());                            // 组号10 倒数第二个执行

  sig();
  std::system("pause");
  return 0;
}

signal不仅可以把输入参数传递给插槽函数，也可以将函数执行结果返回给调用者，返回值默认使用optional_last_value<T>，他将使用optional对象返回最后被调用的槽函数的返回值。

#include <iostream>
#include <string>
#include <boost\signals2.hpp>

using namespace std;

template<int T, int C>
struct MySlots
{
  int operator()(int x)
  {
    std::cout << "参数A: " << x << " 参数B: " << T << " 参数C: " << C << std::endl;
    return x + T + C;
  }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::signals2::signal<int(int)> sig;

  sig.connect(0, MySlots<10, 20>());

  int ref = *sig(5);
  cout << "获取返回值: " << ref << endl;

  std::system("pause");
  return 0;
}

有时候我们需要将多个插槽返回值经过处理后返回，signal允许自定义合并器来处理插槽返回值，并把多个插槽返回值合并为一个结果返回给调用者，代码如下所示。

#include <iostream>
#include <string>
#include <numeric>
#include <boost\signals2.hpp>

using namespace std;

template<int T, int C>
struct MySlots
{
  int operator()(int x)
  {
    std::cout << "参数x: " << x << " 参数T: " << T << " 参数C: " << C << std::endl;
    return x + T + C;
  }
};

// 实现一个自定义合并器
template<typename T>
class combiner
{
  T v;       // 计算总和初始值
public:
  typedef std::pair<T, T> result_type;
  combiner(T t = T()) : v(t){}   // 构造函数

  template<typename InputIterator>
  result_type operator()(InputIterator begin, InputIterator end) const
  {
    // 为空则返回0
    if (begin == end)
      return result_type();

    // 容器保存插槽调用结果
    vector<T> vec(begin, end);

    T sum = std::accumulate(vec.begin(), vec.end(), v);
    T max = *std::max_element(vec.begin(), vec.end());

    return result_type(sum, max);
  }
};

int main(int argc, char *argv[])
{
  // 定义信号并传递自定义合并器
  boost::signals2::signal<int(int), combiner<int>> sig;

  // 链接信号
  sig.connect(0, MySlots<10, 20>());
  sig.connect(0, MySlots<10, 15>());
  sig.connect(0, MySlots<24, 12>());

  // 调用等待返回值
  auto ref = sig(2);
  std::cout << "返回总和: " << ref.first << " 返回最大值: " << ref.second << endl;;
  
  std::system("pause");
  return 0;
}

插槽有时不需要一直连接着，必要时可以使用disconnect()传入插槽序号实现断开操作，当需要使用时在动态连接上即可。

#include <iostream>
#include <string>
#include <boost\signals2.hpp>

using namespace std;

void slots()
{
  cout << "slots called" << endl;
}

int main(int argc, char *argv[])
{
  boost::signals2::signal<void()> sig;    // 定义信号对象

  sig.connect(0, &slots);
  sig.connect(0, &slots);
  sig.connect(1, &slots);

  // 直接调用断开
  sig.disconnect(0);         // 断开0组插槽
  sig();

  // 指针断开与链接
  boost::signals2::connection drop_ptr = sig.connect(0, &slots);
  drop_ptr.disconnect();

  // 指针链接
  boost::signals2::scoped_connection connect_ptr = sig.connect(0, &slots);
  sig();

  std::system("pause");
  return 0;
}