logo头像

野渡's小小知识乐园

《STL源码剖析》第7章 仿函数（函数对象）和配接器

C++基础 STL源码 技术 2019/05/22

所谓的仿函数(functor)，是通过重载()运算符模拟函数形为的类。因此，这里需要明确两点：

  • 1 仿函数不是函数，它是个类；
  • 2 仿函数重载了()运算符，使得它的对你可以像函数那样子调用。

《Design Patterns》一书提到23个最普及的设计模式，其中对adapter样式的定义如下：将一个class的接口转换为另一个class 的接口，使原本因接口不兼容而不能合作的classes，可以一起运作。

1、仿函数

仿函数是早期的命名，C++标准规定所采用的新名称是函数对象。函数对象，如其名字一样是指一种具有函数特质的对象。调用者可以像函数一样的使用这些对象，但必须重载operator()，先产生类对象的一个匿名对象，再调用相应的函数。

例如在很多STL算法中，都可以看到，我们可以将一个方法作为模板内的参数传入到算法实现中，例如sort的时候我们可以根据我们传入的自定义的compare函数来进行比较排序。解决办法是使用函数指针，或者是将这个“操作”设计为一个所谓的仿函数，再用这个仿函数生成一个对象，并用这个对象作为算法的一个参数。

那为什么STL不使用函数指针而使用仿函数呢？
这主要是因为函数指针不能满足STL对抽象性的要求，无法和STL的其他组件搭配以产生更加灵活的效果。

2、仿函数的可配接性

仿函数灵活性的关键就在于仿函数。
STL仿函数应该有能力被函数适配器修饰，就像积木一样串接，然而，为了拥有配接能力，每个仿函数都必须定义自己的函数参数类型和返回值类型，就像迭代器如果要融入整个STL大家庭，也必须按照规定定义自己的5个相应的类型一样。下面主要讲解一元函数和二元函数的基本的相关设计。

2.1 unary_function

用来呈现一元函数的参数类型和返回值类型，使用者实现对应的一元仿函数时只需继承这个类并进行事项即可。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Template<class Arg, class Result> //基类
Struct unary_function
{
    Typedef Arg argument_type;
    Typedef Result result_type;
}
 
//自定义的一元仿函数可以继承上类来获得类型定义
Template<class T>
Struct negate:public unary_function<T,T> //取反
{
    T operator()(const T& x)const {return –x;}
};

2.2 binary_function

用来呈现二元函数的第一个参数类型、第二个参数类型和返回值类型。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Template<class Arg1, class Arg2, class Result>
Struct binary_function
{
    Typedef Arg1 first_argument_type;
    Typedef Arg2 second_argument_type;
    Typedef Result result_type;
};
 

Template<class T>
Struct plus: public binary_function<T,T,T>  //用法示例，加运算
{
    T operator()(const T& x, const T& y)const {return x+y ;}
};

3、几种仿函数

  • 算术类仿函数
    用于算术运算，包括加法：plus，减法：minus，乘法：multiplies，除法：divides，取模：modulus，取反：negate。

  • 关系类仿函数
    用于进行关系运算，包括等于：equal_to，不等于：not_equal_to，大于：greater，大于等于：greater_equal，小于：less，小于等于：less_equal。

  • 逻辑类仿函数
    提供几种逻辑运算，包括逻辑运算and：logical_and，逻辑运算or：logical_or，逻辑运算not：logical_not。

  • 证同(identity)、选择(select)、投射(project)
    证同用于返回本身；选择用于接受一个pair,返回第一个元素或第二个元素；投射传回第一参数，忽略第二参数或相反。

来看一下他们的运用实例：

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
#include<functional>
#include<iostream>
using namespace std;
 
int main()
{
	//算术类仿函数
	plus<int> plusobj;
	minus<int> minusobj;
	multiplies<int> mulobj;
	divides<int> divobj;
	modulus<int> modobj;
	negate<int> negobj;
   
    //除下面的使用方式外，还可以用临时对象调用
	cout << plusobj(3, 5) << endl; //8
	cout << minusobj(3, 5) << endl; //-2
	cout << mulobj(3, 5) << endl; //15
	cout << divobj(3, 5) << endl; //0
	cout << modobj(3, 5) << endl; //3
	cout << negobj(3) << endl; //-3

	//关系类仿函数，不等于：，大于：greater<T>，大于等于：greater_equal<T>，小于：less<T>，小于等于：less_equal<T>。
	equal_to<int> equal_to_obj; 
	not_equal_to<int> not_equal_to_obj;
	greater<int> greater_obj;
	greater_equal<int> greater_equal_obj;
	less<int> less_obj;
	less_equal<int> less_equal_obj;
 
	cout << boolalpha << equal_to_obj(3, 5) << endl; //false
	cout << not_equal_to_obj(3, 5) << endl;//true
	cout << greater_obj(3, 5) << endl;//false
	cout << greater_equal_obj(3, 5) << endl;//false
	cout << less_obj(3, 5) << endl;//true
	cout << less_equal_obj(3, 5) << endl;//true

	//逻辑类仿函数
	logical_and<int> logical_and_obj;
	logical_or<int> logical_or_obj;
	logical_not<int> logical_not_obj;
 
	cout << logical_and_obj(1, 0) << endl; //false
	cout << logical_or_obj(1, 0) << endl;//true
	cout << logical_not_obj(1) << endl;//false

	return 0;
}

4、配接器

配接器（Adapter）在STL组件的灵活组合运用功能上，扮演着轴承、转换器的角色，即将一个class的接口转换为另一个class的接口，使原本因接口不兼容而不能合作的classes，可以一起运作，它事实上是一种设计模式。

STL 主要提供如下三种配接器：

  • （1）改变仿函数（functors）接口，称之为function adapter
  • （2）改变容器（containers）接口，称之位container adapter
  • （3）改变迭代器（iterators）接口者，称之为iterator adapter

4.1 容器配接器container adapter

STL 提供的两个容器queue和stack，其实都不过是一种配接器，是对deque （双端队列）接口的修饰而成就自己的容器风貌。queue和stack底层都是由deque构成的，它们封住所有deque对外接口，只开发符合对应原则的几个函数，故它们是适配器，是一个作用于容器之上的适配器。

如果按照该标准衡量其他容器的话，序列式容器的 set 和 map 其实是对其内部所维护的RB-tree接口的改造。

4.2 迭代器配接器iterator adapter

STL提供了许多应用于迭代器身上的配接器，包括insert iterators，reverse iterators，iostream iterators。

insert iterators可以将一般迭代器的赋值操作转变为插入操作。此迭代器包括专门从尾端插入操作back_insert_iterator，专门从头端插入操作front_insert_iterator，以及可从任何位置执行插入操作的insert_iterator。因iterator adapters使用接口不是十分直观，STL提供三个相应的函数back_inserter()、front_inserter()、inserter()，从而提高使用时的便利性。

reverse iterators可以将一般迭代器的行进方向逆转，使原本应该前进的operator++变成了后退操作，使原本应该后退的operator–变成了前进操作。此操作用在“从尾端开始进行”的算法上，有很大的方便性。

iostream iterators可以将迭代器绑定到某个iostream对象身上。绑定到istream对象身上，为istream_iterator，拥有输入功能；绑定到ostream对象身上，成为ostream_iterator，拥有输出功能。此迭代器用在屏幕输出上，非常方便。

4.3 functor配接器functor adapter

functor adapters是所有配接器中数量最庞大的一个族群，其配接灵活度是后两者不能及的，可以配接、配接、再配接。其中配接操作包括系结（bind）、否定（negate）、组合（compose）、以及对一般函数或成员函数的修饰（使其成为一个仿函数）。它的价值在于，通过它们之间的绑定、组合、修饰能力，几乎可以无限制地创造出各种可能的表达式（expression），搭配STL算法一起演出。

由于仿函数就是“将function call操作符重载”的一种class，而任何算法接受一个仿函数时，总是在其演算过程中调用该仿函数的operator()，这使得不具备仿函数之形、却有真函数之实的“一般函数”和“成员函数（member functions）感到为难。如果”一般函数“和“成员函数”不能纳入复用的体系中，则STL的规划将崩落了一角。为此，STL提供了为数众多的配接器，使“一般函数”和“成员函数”得以无缝地与其他配接器或算法结合起来。

所有期望获取配接能力的组件，本身都必须是可配接的，即一元仿函数必须继承自unary_function，二元仿函数必须继承自binary_function，成员函数必须以mem_fun处理过，一般函数必须以ptr_fun处理过。

一个未经ptr_fun处理过的一般函数，虽然也可以函数指针的形式传给STL算法使用，却无法拥有任何配接能力。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
// 以下配接器其实就是把一个一元函数指针包起来；
// 当仿函数被使用时，就调用该函数指针
template <class _Arg, class _Result>
class pointer_to_unary_function : public unary_function<_Arg, _Result> 
{
protected:
  _Result (*_M_ptr)(_Arg);     // 内部成员，一个函数指针
public:
  pointer_to_unary_function() {}
  // 以下constructor将函数指针记录于内部成员之中
  explicit pointer_to_unary_function(_Result (*__x)(_Arg)) : _M_ptr(__x) {}
  // 通过函数指针执行函数
  _Result operator()(_Arg __x) const { return _M_ptr(__x); }
};

// 辅助函数，使我们能够方便运用pointer_to_unary_function
template <class _Arg, class _Result>
inline pointer_to_unary_function<_Arg, _Result> ptr_fun(_Result (*__x)(_Arg))
{
  return pointer_to_unary_function<_Arg, _Result>(__x);
}

5、小结

本节主要介绍仿函数和配接器这两种思想，二者的主要的目的都是粘合STL的另外三大组件容器、迭代器和算法，理解其意，思而用之，也必能有所收益。

转载声明：商业转载请联系作者获得授权,非商业转载请注明出处 © 野渡
访问量:   |   访客数:
Copyright © 2017 | Powered by Hexo | Theme by Snippet