函数指针

函数指针

函数指针是 C++ 中一种保存函数地址的指针变量，允许像调用普通函数那样通过指针调用函数。它是理解回调机制、策略模式、以及 C/C++ 中函数灵活性的基础。

基本定义格式

返回类型 (*函数指针名)(参数类型列表);

示例：

int add(int a, int b) {
    return a + b;
}

// 定义函数指针
int (*funcPtr)(int, int);

// 把函数地址赋给指针
funcPtr = add;

// 通过指针调用函数
int result = funcPtr(3, 4);  // 结果是 7

经典用途

回调函数（如排序比较器）：

bool cmp(int a, int b) {
    return a > b;
}

void sort(int* arr, int n, bool (*cmpFunc)(int, int)) {
    for (int i = 0; i < n - 1; ++i)
        for (int j = i + 1; j < n; ++j)
            if (!cmpFunc(arr[i], arr[j]))
                std::swap(arr[i], arr[j]);
}

调用：

int arr[] = {3, 1, 5, 2};
sort(arr, 4, cmp);  // 使用 cmp 作为比较器

简化语法（使用 typedef 或 using）

• 使用 typedef：

typedef int (*CalcFunc)(int, int);
CalcFunc f = add;

• 使用 using（推荐）：

using CalcFunc = int(*)(int, int);
CalcFunc f = add;

函数指针数组（策略表）

int add(int a, int b) { return a + b; }
int sub(int a, int b) { return a - b; }

using CalcFunc = int(*)(int, int);
CalcFunc ops[] = {add, sub};

int result = ops[0](10, 5);  // 调用 add，结果是 15

对比 lambda、std::function、虚函数指针

特性/维度	函数指针	Lambda	std::function	虚函数指针（多态）
🧠 类型安全	✅ 有	✅ 有	✅ 有	✅ 有
📦 可捕获变量（闭包）	❌ 不支持	✅ 支持（捕获）	✅ 支持捕获	❌ 不支持
🔁 运行时可替换性	✅	✅/⚠️（无捕获）	✅ 支持	✅ 支持
🧮 调用开销（性能）	🚀 极快（等同函数调用）	🚀 极快（无捕获）	🐢 慢些（封装、堆分配）	🚀 快（虚表指针跳转）
🛠️ 存储/语法复杂度	中（函数签名繁琐）	简洁	简洁	中（需要类定义）
🧩 可用于类成员	⚠️ 不能直接	✅ 可	✅ 可	✅ 虚函数
♻️ 可用于策略/回调	✅ 是	✅ 是	✅ 是	✅ 是
🧱 是否编译期可求值	❌ 否	⚠️ 无捕获可以	❌ 否	❌ 否

函数指针（最古老也最快）

int add(int a, int b) { return a + b; }
int (*fptr)(int, int) = add;
fptr(3, 4); // 结果 7

• 优点：开销低、语义清晰
• 缺点：不能绑定状态、不支持捕获、不支持类成员函数

Lambda 表达式

auto f = [](int a, int b) { return a + b; };
f(3, 4); // 结果 7

int x = 10;
auto g = [x](int y) { return x + y; }; // 捕获外部变量

• 有状态时是类对象（编译器生成），不能隐式转函数指针
• 无捕获时可以自动转成函数指针

std::function（泛型可调用封装器）

#include <functional>

std::function<int(int, int)> f = [](int a, int b) {
    return a + b;
};
f(3, 4); // 结果 7

• 支持 lambda（有/无捕获）、函数指针、成员函数、仿函数
• 内部封装复杂类型，易用但可能有堆内存开销
• 推荐用于高抽象、插件系统、通用回调接口

虚函数指针（多态）

class Strategy {
public:
    virtual int apply(int a, int b) = 0;
    virtual ~Strategy() = default;
};

class Add : public Strategy {
public:
    int apply(int a, int b) override { return a + b; }
};

• 支持接口多态（运行时绑定）
• 类中通过虚函数表调用，支持成员状态
• 有轻微开销（虚表指针跳转），但是面向对象设计核心

场景	推荐方案	理由
高性能、无状态策略（如 sort）	✅ 函数指针 / 无捕获 Lambda	快，简单
动态策略，有捕获	✅ std::function	支持闭包
面向对象策略，多态结构	✅ 虚函数	扩展性强
编译期策略	✅ 模板 / constexpr 函数	编译时计算
小工具函数 / callback	✅ Lambda	简洁、现代