【编程技巧】C++如何使用std::map管理std::function函数指针

一、问题背景

开发过程中遇到了需要根据const字符串调用不同函数的要求。在开发过程中为了快速实现功能，实际使用了if else等判断实现了不同函数的调用，徒增了不少代码行数。

明知道可以采用map管理函数指针，但是没有具体实现过，所以不敢贸然采用。为避免凑代码行数之嫌，决定使用这种方式去更新写法，现将学习过程记录下来。

二、std::map管理函数指针

使用 std::map（或其他关联容器，如 std::unordered_map）来管理 function 函数指针，可以为程序设计带来许多优势，尤其在需要动态管理和调用函数的场景中。具体包括以下优点：

1. 动态映射与查找：使用 std::map 可以将特定的标识符（如 std::string、int 等）与函数指针或 std::function 关联起来，使得程序能够根据需求在运行时动态查找并调用函数，而无需编写复杂的 switch-case 或 if-else 语句。
2. 简化代码结构，易于扩展：当有新的功能需要添加时，只需向 std::map 中插入新的函数指针即可，而不必更改原有的代码逻辑。这样可以极大地提高代码的可维护性和扩展性。如果将来需要替换或修改某个功能，只需更新映射中的函数指针即可。
3. 高效查询与调用：std::map 和 std::unordered_map 提供了高效的查找功能。std::map 是一个基于红黑树实现的有序容器，查找时间复杂度为 O(log n)，而 std::unordered_map 是基于哈希表实现的无序容器，查找时间复杂度为平均 O(1)。使用这些容器管理函数指针，程序可以快速找到并执行目标函数。

三、std::function

（1）std::function定义

类模板std::function 是 C++ 标准库中的一个通用多态函数包装器，位于 <functional> 头文件中。它可以用来存储、复制和调用任何符合特定函数签名的可调用对象，比如普通函数、lambda 表达式、std::bind 生成的函数对象，或者是函数对象类的实例。

存储的可调用对象称为std::function的目标。如果std::function不包含目标，则称为空函数。调用空的std::function的目标函数会产生std::bad_function_call异常。

（2）std::function语法

#include <functional>
std::function<ReturnType(ArgTypes...)>

ReturnType：指定函数的返回类型。

ArgTypes…：指定函数的参数类型列表。

（3）std::function 与传统函数指针的区别

std::function 是 C++11 引入的一个模板类，它可以存储、复制和调用任何可调用对象，包括函数指针、lambda 表达式、函数对象等。而传统函数指针则只能指向函数。

相较于传统函数指针，std::function具有更强的类型安全性，但性能上略低于传统函数指针。

四、具体实现

实现步骤如下：

1. 采用别名FunctionPtr代替std::function<void(int, int)>。
2. 定义具名函数void func1(int, int)和void func2(int, int)，分别实现加法和乘法。
3. 定义匿名函数void(int, int)实现减法。
4. 定义std::map<std::string, std::shared_ptr<FunctionPtr>> functionMap;用于管理上述函数。
5. 此时functionMap能够根据传入的string不同调用不同的函数。

#include <iostream>
#include <map>
#include <memory>
#include <functional>using FunctionPtr = std::function<void(int, int)>;void func1(int x, int y) {std::cout << "In func1, x + y = " << x + y << std::endl;
}void func2(int x, int y) {std::cout << "In func2, x * y = " << x * y << std::endl;
}int main() {std::map<std::string, std::shared_ptr<FunctionPtr>> functionMap;functionMap["func1"] = std::make_shared<FunctionPtr>(func1);functionMap["func2"] = std::make_shared<FunctionPtr>(func2);functionMap["func3"] = std::make_shared<FunctionPtr>([](int x, int y) -> void {std::cout << "In func3, x - y = " << x - y << std::endl;});for (const auto &functionPair : functionMap) {auto funcName = functionPair.first;std::cout << "In main, funcName = " << funcName << std::endl;auto function = functionPair.second;if (function != nullptr) {(*function)(1,2);}}return 0;
}

五、参考文献

1. Cpp Reference之std::map：https://en.cppreference.com/w/cpp/container/map。
2. Cpp Reference之std::function：https://en.cppreference.com/w/cpp/utility/functional/function