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函数对象

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函数对象(function object)[note 1]是一个程序设计的对象允许被当作普通函数来调用。

函数对象与函数指针相比,有两个优点:第一是编译器可以内联执行函数对象的调用;第二是函数对象内部可以保持状态。

函数式程序设计语言还支持闭包,例如,first-class函数支持在其创建时用到的函数外定义的变量的值保持下来,成为一个函数闭包。

C++函数对象的实例[编辑]

传统的C/C++函数指针:

#include <stdlib.h>
 
/* Callback function, returns < 0 if a < b, > 0 if a > b, 0 if a == b */
int compareInts(const void* a, const void* b)
{
  return *(const int *)a - *(const int *)b;
}
...
// prototype of qsort is
// void qsort(void *base, size_t nel, size_t width, int (*compar)(const void *, const void *));
...
int main(void)
{
    int items[] = { 4, 3, 1, 2 };
    qsort(items, sizeof(items) / sizeof(items[0]), sizeof(items[0]), compareInts);
    return 0;
}

C++中,函数对象是定义了函数调用运算符的类对象,称作class type functor

// comparator predicate: returns true if a < b, false otherwise
struct IntComparator
{
  bool operator()(const int &a, const int &b) const
  {
    return a < b;
  }
};
...
// An overload of std::sort is:
template <class RandomIt, class Compare>
void sort(RandomIt first, RandomIt last, Compare comp);
...
int main()
{
    std::vector<int> items { 4, 3, 1, 2 };
    std::sort(items.begin(), items.end(), IntComparator());
    return 0;
}

除了类类型函数对象,还有其他类型的函数对象,如使用成员函数指针或模板。C++11允许使用具有闭包功能的匿名函数。

C++ STL中的函数对象[编辑]

C++的STL中的众多algorithm,非常依赖于函数对象处理容器的元素。因此,STL预定义了许多函数对象、谓词(predicate)、以及用于复合(composite)函数对象的binder、member function adapter、 pointer to function adapters、 negaters、 function objects base structure。由于STL中的algorithm使用函数对象作为参数时,一般都是传值调用,所以函数对象应该仔细设计其复制构造函数

预定义的函数对象[编辑]

C++98在头文件functional中定义了下述函数对象: plus<type>() 结果为(param1 + param2) minus<type>() 结果为(param1 - param2) multiplies<type>() 结果为(param1 * param2) divides<type>() 结果为(param1 / param2) modulus<type>() 结果为(param1 % param2)

谓词(predicate)[编辑]

返回布尔值(或者可以隐式转换为布尔值)的函数对象。用于STL中的algorithm时,谓词应该是无状态的( stateless)函数对象,即谓词的结果不依赖于内部的数据成员。这是因为STL中的algorithm不保证内部实现时对传入的谓词要复制多少次。 C++98在头文件functional中定义了下述谓词:

  • equal_to<type>() 结果为(param1 == param2)
  • not_equal_to<type>() 结果为(param1 != param2)
  • less<type>() 结果为 (param1 < param2)
  • greater<type>() 结果为(param1 > param2)
  • less_equal<type>() 结果为 (param1 <= param2)
  • greater_equal<type>() 结果为 (param1 >= param2)
  • logical_not<type>() 结果为 (!param1)
  • logical_and<type>() 结果为 (param1 && param2)
  • logical_or<type>() 结果为 (param1 || param2)

Function Adapter[编辑]

用于组合(combine)、变换(transform)、操作(manipulate)函数对象、特定参数值、或者特定函数。进一步细分为:

Binder[编辑]

C++98在头文件functional中定义了两个函数bind1st与bind2nd,返回值为binder1st、binder2nd类型。用于把二元函数对象分别绑定第一个、第二个参数后成为单元函数对象。

Negater[编辑]

negate把一个作为谓词的函数对象取反。C++98在头文件functional中定义了两个函数not1与not2,返回值为unary_negate、binary_negate类型。

Member function adapter[编辑]

Member function adapter用于把类的成员函数用作STL中的algorithm的参数。C++98在头文件functional中定义了:

  • 函数mem_fun_ref,返回值为mem_fun_t类型,用于通过一个类对象指针来调用成员函数指针
  • 函数mem_fun_ref,返回值为mem_fun_ref_t类型,用于通过一个类对象引用来调用成员函数指针。

Pointer to function adapter[编辑]

函数指针适配器(Pointer to function adapter)是把函数指针包装为一个函数对象,以便STL中的algorithm用函数对象作为统一的参数类型,不用再考虑以函数指针作为传入参数的情形。C++98在头文件functional中定义了:

  • 函数ptr_fun,返回值为pointer_to_unary_function类型,包装了一个单参数的函数指针。
  • 重载函数ptr_fun,返回值为pointer_to_binary_function类型,包装了一个双参数的函数指针。

Function Object Base[编辑]

函数对象基类(Function Object Base)定义在头文件functional中,用作STL的预定义的与函数对象有关的各个类的基类,其中定义了几个类型,分别表示函数调用的各个参数类型、结果类型。

  • unary_function类,定义了2个类型:argument_type、result_type;
  • binary_function类,定义了3个类型:first_argument_type、second_argument_type、result_type;

Python[编辑]

Python程序设计中,函数是作为头等对象(first-class object),可以如同普通的字符串、数值、list等对象那样操作。这使得大部分编写函数对象都是不必须的。

任何对象定义了__call__()方法,就具有了可以当作函数调用的语法。例如下面的做累加的类[2]

class Accumulator(object):
    def __init__(self, n):
        self.n = n
    def __call__(self, x):
        self.n += x
        return self.n

一个使用例子:

>>> a = Accumulator(4)
>>> a(5)
9
>>> a(2)
11
>>> b = Accumulator(42)
>>> b(7)
49

因为函数就是对象,可当作局部变量定义、确定其属性(内部状态)、作为别的函数的返回值。[3]例如:

def Accumulator(n):
    def inc(x):
        inc.n += x
        return inc.n
    inc.n = n
    return inc

Python 3中,可以用函数闭包来创建函数对象:

def Accumulator(n):
    def inc(x):
        nonlocal n
        n += x
        return n
    return inc

注释[编辑]

  1. ^ In C++, a functionoid is an object that has one major method, and a functor is a special case of a functionoid.[1] They are similar to a function object, but not the same.

参考文献[编辑]

进一步阅读[编辑]

  • David Vandevoorde & Nicolai M Josuttis (2006). C++ Templates: The Complete Guide, ISBN 0-201-73484-2: Specifically, chapter 22 is devoted to function objects.

外部链接[编辑]