C函数指针与C ++ 11 lambdas

Question

所以我正在尝试编写一个与c ++ 11 lambdas一起使用的Integration函数。 代码看起来像这样：

double Integrate(std::function<double(double,void*)> func, double a,double b,std::vector<double> & params)
{
  gsl_integration_workspace * w = gsl_integration_workspace_alloc (1000);
  gsl_function F;
  F.function =func;
  F.params = (void*)&params;
  double error,result;
  gsl_integration_qag (&F, a, b, 0, 1e-7, 1000,GSL_INTEG_GAUSS61,w, &result, &error);
  gsl_integration_workspace_free (w);
  return result;
}

void Another_function()
{
 //...
Integrate([](double a,void* param)
   {
   return ((vector<double> *)params)->at(0)*a+((vector<double> *)params)->at(1);
   }
   ,0,3,{2,3});
}

试图编译它，编译器说：

error: cannot convert ‘std::function<double(double, void*)>’ to ‘double (*)(double, void*)’ in assignment

关于线

F.function =func;

但如果我写：

F.function =[](double a,void* param)
   {
   return ((std::vector<double> *)param)->at(0)*a+((std::vector<double> *)param)->at(1);
   };

它编译并正常工作。 我该怎么解决这个问题？

Answer 1

使用void *是C回调接口的典型，它将一些“状态”传递给函数。 但是，std :: function不需要这个，因为std :: function支持“有状态函数”。 所以，你可以这样做：

double Integrate(
          std::function<double(double)> func,
          double a, double b)
{
    typedef std::function<double(double)> fun_type;
    :::
    F.function = [](double x, void* p){
        return (*static_cast<fun_type*>(p))(x);
    };
    F.params = &func;
    :::
}

并存储对参数向量的引用，作为将封装在std :: function对象中的仿函数的一部分，或者执行以下操作：

void Another_function()
{
    double m = 2;
    double b = 3;
    auto func = [&](double x){return m*x+b};
    auto r1 = Integrate(func,0,3);
    :::
}

但是，这种解决方案会使用相当多的间接。 GSL会调用你的lambda。 你的lambda将调用std :: function <> :: operator（），它反过来会唤醒某种用于类型擦除的虚函数，而这种函数又会调用实际的计算。

所以，如果你关心性能，你可以在那里摆脱几层，特别是std :: function。 这是另一种使用函数模板的方法：

template<class Func>
double Integrate(
          Func func,
          double a, double b)
{
    :::
    F.function = [](double x, void* p)->double{
        return (*static_cast<Func*>(p))(x);
    };
    F.params = &func;
    :::
}

我想我更喜欢这个比std :: function解决方案。

Answer 2

看起来gsl库需要一个函数指针。 可以将不捕获的lambda转换为函数指针。 任何lambda都可以转换为std::function 。 但是std::function无法转换为函数指针。

你可以尝试：

struct functor_and_params {
  std::function<double(double, void*)> f;
  void* params;
  static double invoke(double x, void* ptr) {
      functor_and_params& f_and_p = *reinterpret_cast<functor_and_params*>(ptr);
      return f_and_p.f(x, f_and_p.params);
  }
};

double Integrate(std::function<double(double,void*)> func,
                 double a,double b,std::vector<double> & params) {
    functor_and_params f_and_p{ func, &params };
    gsl_function F;
    F.function = &functor_and_params::invoke;
    F.params = &f_and_p;
    //...
 }

Answer 3

std::function<>无法转换为函数指针。 std::function<>是可以保持状态的函数对象，而常规函数是无状态的（有点，你可能有static变量，但这是另一回事）。

另一方面， 无状态 lambda 可以转换为函数指针，因此您可以更改函数的签名以直接获取函数指针，并且将转换lambda：

double Integrate(double(*func)(double,void*), double a, double b, 
                 std::vector<double> & params) // !!!

std::vector<double> p{2,3};
Integrate([](double a,void* param)
   {
      std::vector<double> *p = static_cast<std::vector<double>*>param;
      return p->at(0)*a+p->at(1);
   }
   ,0,3,p);

请注意，将rvalue绑定到非const引用是非法的，因此您不能合法地将{2,3}作为Integrate的最后一个参数传递（即使Visual Studio允许），您将需要创建一个命名变量。

Answer 4

最好将void *转换封装在包装函数中：

double Integrate(std::function<double(double)> func, double a, double b)
{
  gsl_integration_workspace * w = gsl_integration_workspace_alloc (1000);
  gsl_function F;
  F.function = [](double a, void *param) {
    return (*static_cast<std::function<double(double)> *>(param))(a); };
  F.params = (void*)&func;
  double error,result;
  gsl_integration_qag (&F, a, b, 0, 1e-7, 1000,GSL_INTEG_GAUSS61,w, &result, &error);
  gsl_integration_workspace_free (w);
  return result;
}

void Another_function()
{
  //...
  std::vector<double> params = {2, 3};
  Integrate([params](double a) { return (params[0]*a+params[1]; }, 0, 3);
}

这里存在一定量的过量间接（通过std::function ），但CPU的分支预测器将能够很好地执行，因为间接将始终是相同的lambda。

Answer 5

如果你需要将lambda函数与capture集成（在这种情况下没有转换为原始指针），并且如果你不希望与std :: function相关的性能损失（如sellibitze指出 - 请参阅std :: function vs template ），您可以使用以下包装器

 template< typename F >  class gsl_function_pp : public gsl_function {
 public:
 gsl_function_pp(const F& func) : _func(func) {
   function = &gsl_function_pp::invoke;
   params=this;
 }
 private:
 const F& _func;
 static double invoke(double x, void *params) {
 return static_cast<gsl_function_pp*>(params)->_func(x);
 }
 };

这是一个显示如何使用它的测试代码

 double a = 1;
 auto ptr = [=](double x)->double{return a*x;};
 gsl_function_pp<decltype(ptr)> Fp(ptr);
 gsl_function *F = static_cast<gsl_function*>(&Fp);   

如果你真的想使用std :: function，那么你可以使用这个版本的包装器

class gsl_function_pp : public gsl_function
{
   public:
   gsl_function_pp(std::function<double(double)> const& func) : _func(func){
   function=&gsl_function_pp::invoke;
   params=this;
   }     
   private:
   std::function<double(double)> _func;
   static double invoke(double x, void *params) {
   return static_cast<gsl_function_pp*>(params)->_func(x);
   }
};

在这种情况下，测试代码更简单

double a = 1;
gsl_function_pp Fp([=](double x)->double{return a*x;}); 
gsl_function *F = static_cast<gsl_function*>(&Fp);  

这些包装器的好处是它们也可以用于集成类成员函数。