C# vs C++之一：委託 vs 函數指標

委託與函數指標辨析

我們常見到C#技術文獻用“類似C/C++函數指標的東西”介紹委託。這樣好像是有道理的，因為二者的確有深層次的相通之處。委託和函數指標都描述了方法/函數的簽名，並通過統一的介面調用不同的實現。但二者又有明顯的區別，簡單說來，委派物件是真正的對象，而函數指標變數只是函數的入口地址。對於高層應用來講，委託的靈活性和適用範圍更勝函數指標；但對於底層應用，函數指標則是不可替代的。下面分別是委託類型和函數指標類型定義的例子：

delegate int Fn(int a, int b) //C#委託

typedef int (*Fn)(int a, int b) //C++函數指標

從形式上看，二者的參數列表和傳回值都是相同的，只是一個採用關鍵字delegate，一個採用指標符號*。似乎“相似”的說法更有把握了，但如果馬上給二者劃等號就操之過急了。我們先實際驗證一下，看看到底有什麼不同：

//C#

delegate int Fn(int a, int b) ;

class Adder{

    private int c = 0;

    public int Add(int a, int b){

        return a + b + c;

    }

    public Adder(int c){ this.c = c; }

}

class Multiplier{

    private int c = 0;

    public int Multiple(int a, int b){

        return a * b * c;

    }

    public Multiplier(int c){ this.c = c; }

}

Adder adder = new Adder(1);

Multiplier multiplier = new Multiplier(2);

Fn fn = adder.Add;

fn(1, 2); //結果為4

fn = multiplier.Multiple;

fn(2, 3); //結果為12

從上面的代碼說明了兩個問題：

1.委派物件可以指向不同類的方法，只要符合委託簽名；

2.委派物件是有狀態的（儲存在指向的對象中），委託的行為不僅受到輸入參數的影響，還受到目標對象狀態的影響。

//C++

typedef int(*Fn)(int a, int b);

int Add(int a, int b) {

    return a + b;

};

int Multiple(int a, int b) {

    return a * b;

};

class Adder {

public:

    Adder(int c) {

        this->c = c;

    }

    int Add(int a, int b) {

        return a + b + c; 

    }

private:

    int c;

};

typedef int(Adder::* Fm)(int a, int b);

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[])

{

    Fn fn = Add;

    std::cout << fn(1, 2) << std::endl;

    fn = Multiple;

    std::cout << fn(1, 2) << std::endl;

    Adder adder(1);

    Fm f = &Adder::Add;

    std::cout << (adder.*f)(1, 2) << std::endl;

    return 0;

}

C#中的委託是一種支援()操作符的特殊對象。這和C/C++的函數指標是有本質區別的，因為C/C++的函數指標變數並不具有對象性質，它只是單純的函數入口地址。上面的Fn只能指向Add和Multiple兩個普通函數，無法指向Adder類的Add方法。因為Adder類的Add方法的簽名並非int(*)(int a, int b)，編譯器會自動加上一個隱式的this指標參數，所以它的簽名是類似int(*)(Adder *const this, int a, int b) 的。如果需要指向成員函數的指標，需要用typedef int(Adder::* Fm)(int a, int b)這樣的形式加上類型限定符。 所以，C++的函數指標不能像C#委託一樣指向不同類的方法；不具有對象的狀態性質；在使用上函數指標也不如委託靈活。所以，當聽到“委託就是類似C/C++函數指標”的說法的時候應該既理解其相似之處，又明了其差別。

Functor

我們常說C++是強大而複雜的語言，函數指標已經被C#委託PK下來了，難道C++就沒有可以PK C#委託的大將嗎？當然有！首先應該看到，函數指標並非C++的產物，而是繼承自C，因此函數指標的局限其實是C的局限，與C++無關。我們說C#委託是支援()函數叫用作業符的特殊對象，在C++中()操作符是可以被重載的，我們把重載了()操作符的對象稱為functor。下面是一個functor的例子：

class Adder {

public:

    Adder(int c) {

        this->c = c;

    }

    int operator()(int a, int b) {

        return a + b + c;

    }

private:

    int c;

};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {

    Adder adder(1);

    std::cout << adder(2, 3) << std::endl; //輸出6, adder是functor-重載了()操作符的對象

    return 0;

}

functor和委派物件有相似之處，都是支援()操作符的具有狀態的對象。但functor還不是委託，為什嗎？因為委託類型是一種介面規範，函數指標類型也是，但functor本身不是介面規範。這裡，請注意區分類型和對象之間的關係：委託類型和委派物件，函數指標類型和函數指標變數。functor可以等同於委派物件，但如何表達委託類型呢？應該看到，委託機制是一種運行時的動多態，委派物件可以與目標方法動態地綁定。由於C++並非基於虛擬機器的語言，想直接動態綁定不同類型functor到統一的類型介面並不容易。但C++有一種強大的工具實現靜多態，這就是模版：

模版

class Adder {

public:

    Adder(int c) {

        this->c = c;

    }

    int operator()(int a, int b) {

        return a + b + c;

    }

private:

    int c;

};

class Multiplier {

public:

    Multiplier(int c) {

        this->c = c;

    }

    int operator()(int a, int b) {

        return a * b * c;

    }

private:

    int c;

};

 

template<typename T>

void Do(T& f, int a, int b) {

    int r = f(a, b);

    std::cout << r << std::endl;

};

int _tmain(int argc, _TCHAR* argv[]) {

    Adder adder(1);

    Do(adder, 1, 2); //輸出4

    Multiplier multiplier(10);

    Do(multiplier, 2, 3);  //輸出60

    return 0;

}

可以認為函數模版Do表達了介面規範，它要求一個泛型類T支援()運算子、接受兩個整形參數、返回可隱式轉換為int的類型。對於不同類型Adder和Multiplier，編譯器在編譯時間自動根據模版為不同的類型T產生了不同的Do重載函數，因此Do的調用形式是統一的，這就是所謂的靜多態。有人談到“模版為靜態類型的C++賦予了幾乎無類型的元編程能力”，這個例子算是個小小的窺視。STL中許多庫方法都是通過模版來表達介面規範，調用者傳入functor，其靈活性完全不輸C#委託。

總結

1.C#委派物件是真正的對象，C/C++函數指標只是函數入口地址

2.C++的委派物件：functor

3.C++的靜多態：模版