std::bind接口与实现

前言

最近想起半年前鸽下来的Haskell，重温了一下忘得精光的语法，读了几个示例程序，挺带感的，于是函数式编程的草就种得更深了。又去Google了一下C++与FP，找到了一份近乎完美的讲义，然后被带到C++20的ranges library，对即将发布的C++20满怀憧憬。此时，我猛然间意识到，看别人做，觉得自己也能做好，在游戏界叫云玩家，在编程界就叫云程序员啊！

不行，得找点事干。想起同样被我鸽了很久的<functional>系列，刚好与函数式编程搭点边，就动笔写吧！这就是本文的来历。

找来GCC 8.1.0的标准库，在<functional>中找到了std::bind的实现。花了好长时间终于读懂了，原来std::bind的原理一点都不复杂。此外，std::bind的实现依赖于std::tuple，本文理应从后者开始讲起，但是又看了看<tuple>的长度和难度，写std::tuple未免喧宾夺主了。所以，本文将聚焦于std::bind的实现，其他标准库组件就当现成的来用了。

接口

你能点开这篇文章，说明你一定明白std::bind是干什么用的，以及应该怎么用，我就不赘述了。简而言之，std::bind用于给一个可调用对象绑定参数。可调用对象包括函数对象（仿函数）、函数指针、函数引用、成员函数指针和数据成员指针。绑定的参数可以是实际的参数，也可以是std::placeholders::_1等占位符。std::bind返回一个函数对象，称为“bind表达式”，它被调用时，先前绑定的可调用对象被调用，参数为在std::bind中绑定的参数，占位符用调用函数对象时传入的参数替换，_1表示第一个参数，从1开始计数。调用时多余的参数会被求值然后忽略。

很抽象吧？看个例子：

#include <functional>
using namespace std::placeholders;

void f(int a, int b, int c, int d) { }

int main()
{
    auto g = std::bind(f, 42, _2, _1, 233);
    g(404, 10086, 114514);
}

这相当于调用f(42, 10086, 404, 233);。

我终究还是赘述了，那就让赘述有点意义吧。明确两个概念：绑定参数，指调用std::bind时传入的除第一个可调用对象以外的参数；调用参数，指调用std::bind返回的函数对象时传入的参数。

有三个你可能不知道的细节：

1. 调用可调用对象时，绑定参数被std::move，调用参数被std::forward，你得根据可调用对象的行为来判断std::bind返回的函数对象是否可以多次调用。
2. 绑定参数可以是bind表达式，占位符被替换为外层的调用参数，相当于用调用参数来调用这个bind表达式，求值后用来调用外层bind表达式——我是在读源码读到一半一脸懵逼的时候才知道这件事的。这与可调用对象被std::bind以后可以再std::bind并不冲突，因为bind表达式一个是作为绑定参数，另一个是作为可调用对象。
3. std::bind有个重载，可以用模板参数指定bind表达式的operator()的返回类型。

下面的程序演示了后两个功能：

#include <iostream>
#include <functional>
using namespace std::placeholders;

class A
{
public:
    A(int i) : i(i) { }
    friend std::ostream& operator<<(std::ostream&, const A&);
private:
    int i;
};

std::ostream& operator<<(std::ostream& os, const A& a)
{
    os << "A: " << a.i;
    return os;
}

int main()
{
    auto f = std::bind<A>(std::plus<int>(), 1, std::bind(std::multiplies<int>(), 2, _1));
    std::cout << f(3) << std::endl;
}

程序输出A: 7。

还有两个type traits：std::is_bind_expression，对std::bind的返回类型其value为true；std::is_placeholder，对std::placeholders::_1的类型其value为1，以此类推。

实现

终于步入正题了。std::bind的实现原理并不复杂，但是标准库要考虑各种奇葩情况，比如volatile和可变参数（如std::printf，而非变参模板）等，代码就变长了很多（典型的有std::is_function）。

为了讲解与理解的方便，我把std::bind的实现分成5个层次：

1. 工具：is_bind_expression、is_placeholder、namespace std::placeholders、_Safe_tuple_element_t和__volget，前两个用于模板偏特化；
2. _Mu：4种情况，分类讨论；
3. _Bind：_Bind和_Bind_result，std::bind的返回类型；
4. 辅助：_Bind_check_arity、__is_socketlike、_Bind_helper和_Bindres_helper；
5. std::bind本尊。

总体上，_Bind保存可调用对象和绑定参数，_Mu把绑定参数转换为实际参数。

工具

  /**
   *  @brief Determines if the given type _Tp is a function object that
   *  should be treated as a subexpression when evaluating calls to
   *  function objects returned by bind().
   *
   *  C++11 [func.bind.isbind].
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Tp>
    struct is_bind_expression
    : public false_type { };

  /**
   *  @brief Class template _Bind is always a bind expression.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Signature>
    struct is_bind_expression<_Bind<_Signature> >
    : public true_type { };

  /**
   *  @brief Class template _Bind is always a bind expression.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Signature>
    struct is_bind_expression<const _Bind<_Signature> >
    : public true_type { };

  /**
   *  @brief Class template _Bind is always a bind expression.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Signature>
    struct is_bind_expression<volatile _Bind<_Signature> >
    : public true_type { };

  /**
   *  @brief Class template _Bind is always a bind expression.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Signature>
    struct is_bind_expression<const volatile _Bind<_Signature>>
    : public true_type { };

  /**
   *  @brief Class template _Bind_result is always a bind expression.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Result, typename _Signature>
    struct is_bind_expression<_Bind_result<_Result, _Signature>>
    : public true_type { };

  /**
   *  @brief Class template _Bind_result is always a bind expression.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Result, typename _Signature>
    struct is_bind_expression<const _Bind_result<_Result, _Signature>>
    : public true_type { };

  /**
   *  @brief Class template _Bind_result is always a bind expression.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Result, typename _Signature>
    struct is_bind_expression<volatile _Bind_result<_Result, _Signature>>
    : public true_type { };

  /**
   *  @brief Class template _Bind_result is always a bind expression.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Result, typename _Signature>
    struct is_bind_expression<const volatile _Bind_result<_Result, _Signature>>
    : public true_type { };

  /** @brief The type of placeholder objects defined by libstdc++.
   *  @ingroup binders
   */
  template<int _Num> struct _Placeholder { };

  /** @namespace std::placeholders
   *  @brief ISO C++11 entities sub-namespace for functional.
   *  @ingroup binders
   */
  namespace placeholders
  {
  /* Define a large number of placeholders. There is no way to
   * simplify this with variadic templates, because we‘re introducing
   * unique names for each.
   */
    extern const _Placeholder<1> _1;
    extern const _Placeholder<2> _2;
    extern const _Placeholder<3> _3;
    extern const _Placeholder<4> _4;
    extern const _Placeholder<5> _5;
    extern const _Placeholder<6> _6;
    extern const _Placeholder<7> _7;
    extern const _Placeholder<8> _8;
    extern const _Placeholder<9> _9;
    extern const _Placeholder<10> _10;
    extern const _Placeholder<11> _11;
    extern const _Placeholder<12> _12;
    extern const _Placeholder<13> _13;
    extern const _Placeholder<14> _14;
    extern const _Placeholder<15> _15;
    extern const _Placeholder<16> _16;
    extern const _Placeholder<17> _17;
    extern const _Placeholder<18> _18;
    extern const _Placeholder<19> _19;
    extern const _Placeholder<20> _20;
    extern const _Placeholder<21> _21;
    extern const _Placeholder<22> _22;
    extern const _Placeholder<23> _23;
    extern const _Placeholder<24> _24;
    extern const _Placeholder<25> _25;
    extern const _Placeholder<26> _26;
    extern const _Placeholder<27> _27;
    extern const _Placeholder<28> _28;
    extern const _Placeholder<29> _29;
  }

  /**
   *  @brief Determines if the given type _Tp is a placeholder in a
   *  bind() expression and, if so, which placeholder it is.
   *
   *  C++11 [func.bind.isplace].
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Tp>
    struct is_placeholder
    : public integral_constant<int, 0>
    { };

  /**
   *  Partial specialization of is_placeholder that provides the placeholder
   *  number for the placeholder objects defined by libstdc++.
   *  @ingroup binders
   */
  template<int _Num>
    struct is_placeholder<_Placeholder<_Num> >
    : public integral_constant<int, _Num>
    { };

  template<int _Num>
    struct is_placeholder<const _Placeholder<_Num> >
    : public integral_constant<int, _Num>
    { };

#if __cplusplus > 201402L
  template <typename _Tp> inline constexpr bool is_bind_expression_v
    = is_bind_expression<_Tp>::value;
  template <typename _Tp> inline constexpr int is_placeholder_v
    = is_placeholder<_Tp>::value;
#endif // C++17

  // Like tuple_element_t but SFINAE-friendly.
  template<std::size_t __i, typename _Tuple>
    using _Safe_tuple_element_t
      = typename enable_if<(__i < tuple_size<_Tuple>::value),
                           tuple_element<__i, _Tuple>>::type::type;

  // std::get<I> for volatile-qualified tuples
  template<std::size_t _Ind, typename... _Tp>
    inline auto
    __volget(volatile tuple<_Tp...>& __tuple)
    -> __tuple_element_t<_Ind, tuple<_Tp...>> volatile&
    { return std::get<_Ind>(const_cast<tuple<_Tp...>&>(__tuple)); }

  // std::get<I> for const-volatile-qualified tuples
  template<std::size_t _Ind, typename... _Tp>
    inline auto
    __volget(const volatile tuple<_Tp...>& __tuple)
    -> __tuple_element_t<_Ind, tuple<_Tp...>> const volatile&
    { return std::get<_Ind>(const_cast<const tuple<_Tp...>&>(__tuple)); }

这里好像没什么值得讲解的呢，注释都写得很清楚啦。

_Mu

  /**
   *  Maps an argument to bind() into an actual argument to the bound
   *  function object [func.bind.bind]/10. Only the first parameter should
   *  be specified: the rest are used to determine among the various
   *  implementations. Note that, although this class is a function
   *  object, it isn‘t entirely normal because it takes only two
   *  parameters regardless of the number of parameters passed to the
   *  bind expression. The first parameter is the bound argument and
   *  the second parameter is a tuple containing references to the
   *  rest of the arguments.
   */
  template<typename _Arg,
           bool _IsBindExp = is_bind_expression<_Arg>::value,
           bool _IsPlaceholder = (is_placeholder<_Arg>::value > 0)>
    class _Mu;

  /**
   *  If the argument is reference_wrapper<_Tp>, returns the
   *  underlying reference.
   *  C++11 [func.bind.bind] p10 bullet 1.
   */
  template<typename _Tp>
    class _Mu<reference_wrapper<_Tp>, false, false>
    {
    public:
      /* Note: This won‘t actually work for const volatile
       * reference_wrappers, because reference_wrapper::get() is const
       * but not volatile-qualified. This might be a defect in the TR.
       */
      template<typename _CVRef, typename _Tuple>
        _Tp&
        operator()(_CVRef& __arg, _Tuple&) const volatile
        { return __arg.get(); }
    };

  /**
   *  If the argument is a bind expression, we invoke the underlying
   *  function object with the same cv-qualifiers as we are given and
   *  pass along all of our arguments (unwrapped).
   *  C++11 [func.bind.bind] p10 bullet 2.
   */
  template<typename _Arg>
    class _Mu<_Arg, true, false>
    {
    public:
      template<typename _CVArg, typename... _Args>
        auto
        operator()(_CVArg& __arg,
                   tuple<_Args...>& __tuple) const volatile
        -> decltype(__arg(declval<_Args>()...))
        {
          // Construct an index tuple and forward to __call
          typedef typename _Build_index_tuple<sizeof...(_Args)>::__type
            _Indexes;
          return this->__call(__arg, __tuple, _Indexes());
        }

    private:
      // Invokes the underlying function object __arg by unpacking all
      // of the arguments in the tuple.
      template<typename _CVArg, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        auto
        __call(_CVArg& __arg, tuple<_Args...>& __tuple,
               const _Index_tuple<_Indexes...>&) const volatile
        -> decltype(__arg(declval<_Args>()...))
        {
          return __arg(std::get<_Indexes>(std::move(__tuple))...);
        }
    };

  /**
   *  If the argument is a placeholder for the Nth argument, returns
   *  a reference to the Nth argument to the bind function object.
   *  C++11 [func.bind.bind] p10 bullet 3.
   */
  template<typename _Arg>
    class _Mu<_Arg, false, true>
    {
    public:
      template<typename _Tuple>
        _Safe_tuple_element_t<(is_placeholder<_Arg>::value - 1), _Tuple>&&
        operator()(const volatile _Arg&, _Tuple& __tuple) const volatile
        {
          return
            ::std::get<(is_placeholder<_Arg>::value - 1)>(std::move(__tuple));
        }
    };

  /**
   *  If the argument is just a value, returns a reference to that
   *  value. The cv-qualifiers on the reference are determined by the caller.
   *  C++11 [func.bind.bind] p10 bullet 4.
   */
  template<typename _Arg>
    class _Mu<_Arg, false, false>
    {
    public:
      template<typename _CVArg, typename _Tuple>
        _CVArg&&
        operator()(_CVArg&& __arg, _Tuple&) const volatile
        { return std::forward<_CVArg>(__arg); }
    };

_Mu类模板用于转换绑定参数，该调用的调用，该替换的替换。_Mu其实只起到函数模板的作用，但是函数模板不能偏特化，就只能写成类了。因此，_Mu只有默认的构造函数，实例都是当即使用的（_Mu<T>()(...)）。

_Mu有三个参数：_Arg是一个绑定参数的类型；_IsBindExp指示它是否是bind表达式，之前提到这里的bind表达式需要求值后才能使用，这是一种特殊情况；_IsPlaceholder指示它是否是一个占位符，占位符需要替换，这也是一种特殊情况。后两个参数用于偏特化，别处使用时只写第一个参数。

_Mu<T>::operator()有统一的接口：第一个参数是_CVArg类型的，满足typename std::decay<_CVArg>::type等于_Arg，&&是通用引用，虽然_CVArg的类型是可以穷举的，但是写成模板就把左值、右值、const、volatile等情况一并处理掉了；第二个参数是_Tuple类型，是调用参数转发组成的std::tuple。

至于operator()要做什么工作，就要分情况讨论了：

• 第一种情况，当_Arg匹配到reference_wrapper<_Tp>时，operator()要做的仅仅是把reference_wrapper包装的引用拿出来。
• 第二种情况，_Arg是bind表达式，把std::tuple展开后给它调用。

  展开过程挺有意思的。假设sizeof...(_Args) == 3，类型_Indexes就是_Index_tuple<0, 1, 2>（这可以用模板元编程来实现），__call的模板参数_Indexes是0, 1, 2，对__arg的调用展开为：__arg(std::get<0>(std::move(__tuple)), std::get<1>(std::move(__tuple)), std::get<2>(std::move(__tuple)))，3个参数的类型分别是（std::decay后）_Tuple的第0、1、2个模板参数，刚好就是调用参数的类型，与接口相符。

  注意_Arg是_Bind或_Bind_result的一个实例，这里只是去调用bind表达式，没有深入到里面的嵌套bind表达式和占位符替换（禁止套娃）。

• 第三种情况，_Arg是占位符，就返回调用参数中对应的那个。占位符从1开始编号，std::tuple从0开始编号，所以要减去1。当占位符超过调用参数数量时，比如绑定参数有_3而调用参数只有2个，std::get会报错（但是我没理解_Safe_tuple_element_t的意义）。
• 第四种情况，_Arg啥都匹配不上，它就是一个普普通通的值，直接转发它即可。

_Bind

  /// Type of the function object returned from bind().
  template<typename _Signature>
    struct _Bind;

   template<typename _Functor, typename... _Bound_args>
    class _Bind<_Functor(_Bound_args...)>
    : public _Weak_result_type<_Functor>
    {
      typedef typename _Build_index_tuple<sizeof...(_Bound_args)>::__type
        _Bound_indexes;

      _Functor _M_f;
      tuple<_Bound_args...> _M_bound_args;

      // Call unqualified
      template<typename _Result, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        _Result
        __call(tuple<_Args...>&& __args, _Index_tuple<_Indexes...>)
        {
          return std::__invoke(_M_f,
              _Mu<_Bound_args>()(std::get<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...
              );
        }

      // Call as const
      template<typename _Result, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        _Result
        __call_c(tuple<_Args...>&& __args, _Index_tuple<_Indexes...>) const
        {
          return std::__invoke(_M_f,
              _Mu<_Bound_args>()(std::get<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...
              );
        }

      // Call as volatile
      template<typename _Result, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        _Result
        __call_v(tuple<_Args...>&& __args,
                 _Index_tuple<_Indexes...>) volatile
        {
          return std::__invoke(_M_f,
              _Mu<_Bound_args>()(__volget<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...
              );
        }

      // Call as const volatile
      template<typename _Result, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        _Result
        __call_c_v(tuple<_Args...>&& __args,
                   _Index_tuple<_Indexes...>) const volatile
        {
          return std::__invoke(_M_f,
              _Mu<_Bound_args>()(__volget<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...
              );
        }

      template<typename _BoundArg, typename _CallArgs>
        using _Mu_type = decltype(
            _Mu<typename remove_cv<_BoundArg>::type>()(
              std::declval<_BoundArg&>(), std::declval<_CallArgs&>()) );

      template<typename _Fn, typename _CallArgs, typename... _BArgs>
        using _Res_type_impl
          = typename result_of< _Fn&(_Mu_type<_BArgs, _CallArgs>&&...) >::type;

      template<typename _CallArgs>
        using _Res_type = _Res_type_impl<_Functor, _CallArgs, _Bound_args...>;

      template<typename _CallArgs>
        using __dependent = typename
          enable_if<bool(tuple_size<_CallArgs>::value+1), _Functor>::type;

      template<typename _CallArgs, template<class> class __cv_quals>
        using _Res_type_cv = _Res_type_impl<
          typename __cv_quals<__dependent<_CallArgs>>::type,
          _CallArgs,
          typename __cv_quals<_Bound_args>::type...>;

     public:
      template<typename... _Args>
        explicit _Bind(const _Functor& __f, _Args&&... __args)
        : _M_f(__f), _M_bound_args(std::forward<_Args>(__args)...)
        { }

      template<typename... _Args>
        explicit _Bind(_Functor&& __f, _Args&&... __args)
        : _M_f(std::move(__f)), _M_bound_args(std::forward<_Args>(__args)...)
        { }

      _Bind(const _Bind&) = default;

      _Bind(_Bind&& __b)
      : _M_f(std::move(__b._M_f)), _M_bound_args(std::move(__b._M_bound_args))
      { }

      // Call unqualified
      template<typename... _Args,
               typename _Result = _Res_type<tuple<_Args...>>>
        _Result
        operator()(_Args&&... __args)
        {
          return this->__call<_Result>(
              std::forward_as_tuple(std::forward<_Args>(__args)...),
              _Bound_indexes());
        }

      // Call as const
      template<typename... _Args,
               typename _Result = _Res_type_cv<tuple<_Args...>, add_const>>
        _Result
        operator()(_Args&&... __args) const
        {
          return this->__call_c<_Result>(
              std::forward_as_tuple(std::forward<_Args>(__args)...),
              _Bound_indexes());
        }

#if __cplusplus > 201402L
# define _GLIBCXX_DEPR_BIND       [[deprecated("std::bind does not support volatile in C++17")]]
#else
# define _GLIBCXX_DEPR_BIND
#endif
      // Call as volatile
      template<typename... _Args,
               typename _Result = _Res_type_cv<tuple<_Args...>, add_volatile>>
        _GLIBCXX_DEPR_BIND
        _Result
        operator()(_Args&&... __args) volatile
        {
          return this->__call_v<_Result>(
              std::forward_as_tuple(std::forward<_Args>(__args)...),
              _Bound_indexes());
        }

      // Call as const volatile
      template<typename... _Args,
               typename _Result = _Res_type_cv<tuple<_Args...>, add_cv>>
        _GLIBCXX_DEPR_BIND
        _Result
        operator()(_Args&&... __args) const volatile
        {
          return this->__call_c_v<_Result>(
              std::forward_as_tuple(std::forward<_Args>(__args)...),
              _Bound_indexes());
        }
    };

  /// Type of the function object returned from bind<R>().
  template<typename _Result, typename _Signature>
    struct _Bind_result;

  template<typename _Result, typename _Functor, typename... _Bound_args>
    class _Bind_result<_Result, _Functor(_Bound_args...)>
    {
      typedef typename _Build_index_tuple<sizeof...(_Bound_args)>::__type
        _Bound_indexes;

      _Functor _M_f;
      tuple<_Bound_args...> _M_bound_args;

      // sfinae types
      template<typename _Res>
        using __enable_if_void
          = typename enable_if<is_void<_Res>{}>::type;

      template<typename _Res>
        using __disable_if_void
          = typename enable_if<!is_void<_Res>{}, _Result>::type;

      // Call unqualified
      template<typename _Res, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        __disable_if_void<_Res>
        __call(tuple<_Args...>&& __args, _Index_tuple<_Indexes...>)
        {
          return std::__invoke(_M_f, _Mu<_Bound_args>()
                      (std::get<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...);
        }

      // Call unqualified, return void
      template<typename _Res, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        __enable_if_void<_Res>
        __call(tuple<_Args...>&& __args, _Index_tuple<_Indexes...>)
        {
          std::__invoke(_M_f, _Mu<_Bound_args>()
               (std::get<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...);
        }

      // Call as const
      template<typename _Res, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        __disable_if_void<_Res>
        __call(tuple<_Args...>&& __args, _Index_tuple<_Indexes...>) const
        {
          return std::__invoke(_M_f, _Mu<_Bound_args>()
                      (std::get<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...);
        }

      // Call as const, return void
      template<typename _Res, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        __enable_if_void<_Res>
        __call(tuple<_Args...>&& __args, _Index_tuple<_Indexes...>) const
        {
          std::__invoke(_M_f, _Mu<_Bound_args>()
               (std::get<_Indexes>(_M_bound_args),  __args)...);
        }

      // Call as volatile
      template<typename _Res, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        __disable_if_void<_Res>
        __call(tuple<_Args...>&& __args, _Index_tuple<_Indexes...>) volatile
        {
          return std::__invoke(_M_f, _Mu<_Bound_args>()
                      (__volget<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...);
        }

      // Call as volatile, return void
      template<typename _Res, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        __enable_if_void<_Res>
        __call(tuple<_Args...>&& __args, _Index_tuple<_Indexes...>) volatile
        {
          std::__invoke(_M_f, _Mu<_Bound_args>()
               (__volget<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...);
        }

      // Call as const volatile
      template<typename _Res, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        __disable_if_void<_Res>
        __call(tuple<_Args...>&& __args,
               _Index_tuple<_Indexes...>) const volatile
        {
          return std::__invoke(_M_f, _Mu<_Bound_args>()
                      (__volget<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...);
        }

      // Call as const volatile, return void
      template<typename _Res, typename... _Args, std::size_t... _Indexes>
        __enable_if_void<_Res>
        __call(tuple<_Args...>&& __args,
               _Index_tuple<_Indexes...>) const volatile
        {
          std::__invoke(_M_f, _Mu<_Bound_args>()
               (__volget<_Indexes>(_M_bound_args), __args)...);
        }

    public:
      typedef _Result result_type;

      template<typename... _Args>
        explicit _Bind_result(const _Functor& __f, _Args&&... __args)
        : _M_f(__f), _M_bound_args(std::forward<_Args>(__args)...)
        { }

      template<typename... _Args>
        explicit _Bind_result(_Functor&& __f, _Args&&... __args)
        : _M_f(std::move(__f)), _M_bound_args(std::forward<_Args>(__args)...)
        { }

      _Bind_result(const _Bind_result&) = default;

      _Bind_result(_Bind_result&& __b)
      : _M_f(std::move(__b._M_f)), _M_bound_args(std::move(__b._M_bound_args))
      { }

      // Call unqualified
      template<typename... _Args>
        result_type
        operator()(_Args&&... __args)
        {
          return this->__call<_Result>(
              std::forward_as_tuple(std::forward<_Args>(__args)...),
              _Bound_indexes());
        }

      // Call as const
      template<typename... _Args>
        result_type
        operator()(_Args&&... __args) const
        {
          return this->__call<_Result>(
              std::forward_as_tuple(std::forward<_Args>(__args)...),
              _Bound_indexes());
        }

      // Call as volatile
      template<typename... _Args>
        _GLIBCXX_DEPR_BIND
        result_type
        operator()(_Args&&... __args) volatile
        {
          return this->__call<_Result>(
              std::forward_as_tuple(std::forward<_Args>(__args)...),
              _Bound_indexes());
        }

      // Call as const volatile
      template<typename... _Args>
        _GLIBCXX_DEPR_BIND
        result_type
        operator()(_Args&&... __args) const volatile
        {
          return this->__call<_Result>(
              std::forward_as_tuple(std::forward<_Args>(__args)...),
              _Bound_indexes());
        }
    };
#undef _GLIBCXX_DEPR_BIND

这一段就开始啰嗦了，但也没有办法，const加倍，volatile再加倍。有些地方还要考虑&、&&和noexcept，以至于不得不用宏来定义。还好C++只有这几个修饰符。

回到正题。_Bind包含两个成员，可调用对象和绑定的参数，后者包在一个std::tuple中保存。构造函数把可调用对象拷贝或移动进来，绑定参数转发进来保存。_Bind类支持拷贝和移动，行为都是默认的。

_Bound_indexes与_Mu<_Arg, true, false>中的_Indexes相同，__call中的调用也与_Mu<_Arg, true, false>::operator()类似，不过不是用括号调用，而是用std::invoke，这把函数对象和成员指针等不同调用格式统一了起来。

有或没有cv修饰符的__call和operator()大体上相同，无非是参数和返回类型有些许区别。为了方便表示这些大同小异的类型，_Bind类中定义了一些工具：

• _Mu_type把绑定参数类型转换为实际参数类型；
• _Res_type_impl定义返回类型，在不指定返回类型的std::bind中，返回类型是自动推导的；
• _Res_type定义可调用对象没有加cv修饰符时的返回类型；
• _Res_type_cv定义可调用对象加了cv修饰符时的返回类型。cv修饰符共有3种组合，_Res_type_cv用模板参数__cv_quals来区分，模板里套模板，嗯，有内味了！我第一次见到这种操作时，跟当初学函数指针时一样激动——等等，__cv_quals不也是函数一样的东西作为参数吗？

定义好了这些类型，4种__call和operator()就很容易实现了，这在_Mu的bind表达式的情况中已经分析过了。

_Bind_result略有不同，既然返回类型已经规定好了，就不用各种定义了，但是又多出对void的讨论。在返回类型为void的函数中，你可以返回一个返回类型为void的表达式（但是不能直接return void;），但是你不能返回一个非void表达式，因此std::bind<void>是一种特殊情况，_Bind_result对_Result为void需要专门的处理。

__enable_if_void和__disable_if_void分别在_Res是和不是void的时候有意义。每种__call函数都有两个，返回__disable_if_void<_Res>的有return语句，另一个没有。对于特定的_Result，两个函数中总是恰好有一个合法，根据SFINAE，另一个被忽略，void的情况就是这么处理的。

辅助

  template<typename _Func, typename... _BoundArgs>
    struct _Bind_check_arity { };

  template<typename _Ret, typename... _Args, typename... _BoundArgs>
    struct _Bind_check_arity<_Ret (*)(_Args...), _BoundArgs...>
    {
      static_assert(sizeof...(_BoundArgs) == sizeof...(_Args),
                   "Wrong number of arguments for function");
    };

  template<typename _Ret, typename... _Args, typename... _BoundArgs>
    struct _Bind_check_arity<_Ret (*)(_Args......), _BoundArgs...>
    {
      static_assert(sizeof...(_BoundArgs) >= sizeof...(_Args),
                   "Wrong number of arguments for function");
    };

  template<typename _Tp, typename _Class, typename... _BoundArgs>
    struct _Bind_check_arity<_Tp _Class::*, _BoundArgs...>
    {
      using _Arity = typename _Mem_fn<_Tp _Class::*>::_Arity;
      using _Varargs = typename _Mem_fn<_Tp _Class::*>::_Varargs;
      static_assert(_Varargs::value
                    ? sizeof...(_BoundArgs) >= _Arity::value + 1
                    : sizeof...(_BoundArgs) == _Arity::value + 1,
                    "Wrong number of arguments for pointer-to-member");
    };

  // Trait type used to remove std::bind() from overload set via SFINAE
  // when first argument has integer type, so that std::bind() will
  // not be a better match than ::bind() from the BSD Sockets API.
  template<typename _Tp, typename _Tp2 = typename decay<_Tp>::type>
    using __is_socketlike = __or_<is_integral<_Tp2>, is_enum<_Tp2>>;

  template<bool _SocketLike, typename _Func, typename... _BoundArgs>
    struct _Bind_helper
    : _Bind_check_arity<typename decay<_Func>::type, _BoundArgs...>
    {
      typedef typename decay<_Func>::type __func_type;
      typedef _Bind<__func_type(typename decay<_BoundArgs>::type...)> type;
    };

  // Partial specialization for is_socketlike == true, does not define
  // nested type so std::bind() will not participate in overload resolution
  // when the first argument might be a socket file descriptor.
  template<typename _Func, typename... _BoundArgs>
    struct _Bind_helper<true, _Func, _BoundArgs...>
    { };

  template<typename _Result, typename _Func, typename... _BoundArgs>
    struct _Bindres_helper
    : _Bind_check_arity<typename decay<_Func>::type, _BoundArgs...>
    {
      typedef typename decay<_Func>::type __functor_type;
      typedef _Bind_result<_Result,
                           __functor_type(typename decay<_BoundArgs>::type...)>
        type;
    };

_Bind_check_arity检查参数数量：当可调用对象是函数或类成员时，可以检查绑定参数与可调用对象需要的参数是否匹配；如果函数是变参的，绑定参数数量得大于等于函数参数数量；如果是类成员，还要加上1作为this指针。_Bind_helper继承_Bind_check_arity，实例化时会检查参数数量，如果错误的话编译器会输出static_assert错误，这样比较好看。（你敢直面模板错误吗？）

__is_socketlike用于消除重载：BSD套接字API中有::bind函数，其第一个参数是整型或枚举，不可能是可调用对象。当_Bind_helper的第一个模板参数为true时，类中没有定义type类型，根据SFINAE，bind调用匹配到::bind。

bind

  /**
   *  @brief Function template for std::bind.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Func, typename... _BoundArgs>
    inline typename
    _Bind_helper<__is_socketlike<_Func>::value, _Func, _BoundArgs...>::type
    bind(_Func&& __f, _BoundArgs&&... __args)
    {
      typedef _Bind_helper<false, _Func, _BoundArgs...> __helper_type;
      return typename __helper_type::type(std::forward<_Func>(__f),
                                          std::forward<_BoundArgs>(__args)...);
    }

  /**
   *  @brief Function template for std::bind<R>.
   *  @ingroup binders
   */
  template<typename _Result, typename _Func, typename... _BoundArgs>
    inline
    typename _Bindres_helper<_Result, _Func, _BoundArgs...>::type
    bind(_Func&& __f, _BoundArgs&&... __args)
    {
      typedef _Bindres_helper<_Result, _Func, _BoundArgs...> __helper_type;
      return typename __helper_type::type(std::forward<_Func>(__f),
                                          std::forward<_BoundArgs>(__args)...);
    }

把可调用对象转发进_Bind或_Bind_result并返回，这就是std::bind的工作。

展望

1. 对C++的展望：lambda、std::function、std::bind都是C++用以支持函数式范式的工具，而对数据的函数式处理，还需借由Boost.Range或在C++20中标准化的namespace std::ranges来完成。
2. 对本文的展望：
   • 正如前言所述，std::tuple的实现是std::bind的实现中的主体，我应该再开一篇来讲std::tuple的原理；
   • 对于一个想深入了解std::bind的读者来说，带着他欣赏源码可能不如手把手写一遍来得有效。我实现过、扩展过std::function，可惜C++模板学艺不精，眼下还不能把实现中的每个细节都讲明白。很巧的是就在刚才，学校里的老师问我要删减的论文，被删减的附录中就包括一个std::function的扩展，等有机会再写吧。
3. 对我的展望：学模板、学FP。

原文地址：https://www.cnblogs.com/jerry-fuyi/p/12633621.html