C++23 std::move_only_function：一种仅可移动的可调用包装器 (P0288R9)

在C++的发展历程中，不断引入新的特性和工具来提升语言的性能和灵活性。C++23标准引入了 std::move_only_function，这是一种仅可移动的可调用包装器，为开发者处理不可复制的可调用对象提供了强大的支持。本文将详细介绍 std::move_only_function的定义、特点、使用场景以及与其他可调用包装器的对比。

一、定义与基本概念

1.1 定义

std::move_only_function是一个通用的多态函数包装器，定义于头文件<functional>中。它可以存储和调用任何可构造的（不要求是可移动构造的）可调用目标，包括函数、lambda表达式、bind表达式、其他函数对象，以及指向成员函数的指针和指向成员对象的指针。存储的可调用对象被称为std::move_only_function的目标。如果std::move_only_function不包含目标，则被称为空的。与std::function不同，调用空的std::move_only_function会导致未定义行为。

其模板定义如下：

// 主模板未定义
// template< class... >
// class move_only_function; // 各种特化版本
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...)> ;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) noexcept>;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) &> ;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) & noexcept>;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) &&>;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) && noexcept>;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) const> ;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) const noexcept>;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) const &> ;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) const & noexcept> ;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) const &&>;
// template< class R, class... Args >
// class move_only_function< R( Args...) const && noexcept >;

1.2 基本概念

std::move_only_function满足MoveConstructible和MoveAssignable的要求，但不满足CopyConstructible或CopyAssignable。这意味着它只能通过移动操作进行构造和赋值，不能进行复制操作。这种设计使得std::move_only_function能够处理那些不可复制的可调用对象，例如捕获了std::unique_ptr的lambda表达式。

二、特点

2.1 仅可移动性

std::move_only_function的核心特点是仅可移动。这是为了处理那些不可复制的可调用对象而设计的。在C++中，有些对象由于其资源管理的特性（如std::unique_ptr）不能被复制，只能被移动。std::move_only_function允许我们将这些不可复制的可调用对象存储在一个包装器中，从而方便地进行传递和调用。

2.2 支持多种限定符

std::move_only_function支持模板参数中提供的每一种可能的cv限定符（不包括volatile）、引用限定符和noexcept说明符的组合。这些限定符和说明符（如果有的话）会被添加到其operator()中。这使得std::move_only_function能够精确地匹配不同类型的可调用对象，提供了更高的灵活性。

2.3 无target_type和target访问器

与std::function不同，std::move_only_function没有target_type和target访问ors。这是根据用户和实现者的需求做出的设计决策。移除这些访问器可以简化实现，并避免一些潜在的问题。

2.4 强前置条件

调用std::move_only_function时具有强前置条件。如果std::move_only_function为空，则调用它会导致未定义行为。这要求开发者在调用之前确保std::move_only_function包含有效的目标。

三、使用场景

3.1 处理不可复制的可调用对象

当需要处理捕获了不可复制对象（如std::unique_ptr）的lambda表达式时，std::move_only_function是一个很好的选择。以下是一个示例：

#include <iostream>
#include <functional>
#include <memory>int main() {auto ptr = std::make_unique<int>(42);// 捕获std::unique_ptr的lambda表达式auto lambda = [ptr = std::move(ptr)]() {std::cout << *ptr << std::endl;};// 使用std::move_only_function存储lambda表达式std::move_only_function<void()> func = std::move(lambda);func(); // 调用存储的lambda表达式return 0;
}

在这个示例中，lambda表达式捕获了一个std::unique_ptr，由于std::unique_ptr是不可复制的，因此不能使用std::function来存储这个lambda表达式。而std::move_only_function可以通过移动操作来存储这个lambda表达式，从而实现对不可复制可调用对象的处理。

3.2 性能优化

在某些情况下，使用std::move_only_function可以避免不必要的复制操作，从而提高性能。例如，当需要将一个可调用对象从一个函数传递到另一个函数时，如果这个可调用对象是不可复制的，使用std::move_only_function可以通过移动操作来传递，避免了复制的开销。

3.3 资源管理

std::move_only_function可以用于管理资源的生命周期。例如，在一个函数中创建一个可调用对象，该对象持有一些资源（如文件句柄、网络连接等），并将其存储在std::move_only_function中。当std::move_only_function被销毁时，其持有的可调用对象也会被销毁，从而自动释放资源。

四、与其他可调用包装器的对比

4.1 与std::function的对比

• 复制性：std::function是可复制的，而std::move_only_function是仅可移动的。这意味着std::function可以存储和复制任何可复制的可调用对象，而std::move_only_function专门用于处理不可复制的可调用对象。
• 性能：由于std::move_only_function避免了复制操作，在处理不可复制对象时可能具有更好的性能。而std::function在复制操作上可能会有一定的开销。
• 功能完整性：std::function具有target_type和target访问ors，可以用于获取存储的可调用对象的类型和指针。而std::move_only_function没有这些访问ors，这使得它的实现更加简单，但也限制了一些功能。

4.2 与std::function_ref的对比

• 所有权：std::function_ref是一个轻量级的引用包装器，它不拥有可调用对象的所有权，只是对可调用对象的一个引用。而std::move_only_function拥有可调用对象的所有权，当std::move_only_function被销毁时，其持有的可调用对象也会被销毁。
• 生命周期管理：由于std::function_ref只是一个引用，它要求被引用的可调用对象的生命周期必须长于std::function_ref本身。而std::move_only_function对可调用对象的生命周期有完全的控制权。
• 可移动性：std::function_ref是可复制的，而std::move_only_function是仅可移动的。这使得std::function_ref更适合作为函数参数传递，而std::move_only_function更适合用于存储和管理不可复制的可调用对象。

五、总结

std::move_only_function是C++23标准引入的一个重要特性，它为开发者提供了一种处理不可复制可调用对象的有效方式。通过其仅可移动的特性、对多种限定符的支持以及强前置条件等特点，std::move_only_function在处理复杂的可调用对象和优化性能方面具有很大的优势。在实际开发中，当需要处理不可复制的可调用对象时，不妨考虑使用std::move_only_function来提升代码的性能和灵活性。