一文讀懂C++中的函數(shù)對(duì)象

這篇文章給大家介紹一文讀懂C++中的函數(shù)對(duì)象，內(nèi)容非常詳細(xì)，感興趣的小伙伴們可以參考借鑒，希望對(duì)大家能有所幫助。

如果一個(gè)類將()運(yùn)算符重載為成員函數(shù)，這個(gè)類就稱為函數(shù)對(duì)象類，這個(gè)類的對(duì)象就是函數(shù)對(duì)象。函數(shù)對(duì)象是一個(gè)對(duì)象，但是使用的形式看起來(lái)像函數(shù)調(diào)用，實(shí)際上也執(zhí)行了函數(shù)調(diào)用，因而得名。

下面是一個(gè)函數(shù)對(duì)象的例子。

#include <iostream>
using namespace std;
class CAverage
{
public:
  double operator()(int a1, int a2, int a3)
  { //重載()運(yùn)算符
    return (double)(a1 + a2 + a3) / 3;
  }
};
int main()
{
  CAverage average; //能夠求三個(gè)整數(shù)平均數(shù)的函數(shù)對(duì)象
  cout << average(3, 2, 3); //等價(jià)于 cout << average.operator(3, 2, 3);
  return 0;
}

程序的輸出結(jié)果是：
2. 66667

()是目數(shù)不限的運(yùn)算符，因此重載為成員函數(shù)時(shí)，有多少個(gè)參數(shù)都可以。

average 是一個(gè)對(duì)象，average(3, 2, 3) 實(shí)際上就是 average.operator(3, 2, 3)，這使得 average 看上去像函數(shù)的名字，故稱其為函數(shù)對(duì)象。

函數(shù)對(duì)象應(yīng)用實(shí)例1：在 accumulate 算法中的應(yīng)用

STL 中有以下實(shí)現(xiàn)“累加”功能的算法（函數(shù)模板）：

template <class InIt, class T, class Pred>
T accumulate(InIt first, InIt last, T val, Pred op);

該模板的功能是對(duì) [first, last) 中的每個(gè)迭代器 I 執(zhí)行 val = op(val, *I)，返回最終的 val。在 Dev C++ 中，numeric 頭文件中 accumulate 的源代碼如下：

template <class InIt, class T, class Pred>
T accumulate(InIt first, Init last, T init, Pred op)
{
  for (; first != last; ++first)
    init = op(init, *first);
  return init;
};

此模板被實(shí)例化后，op(init, *first)必須要有定義，則 op 只能是函數(shù)指針或者函數(shù)對(duì)象。因此調(diào)用該 accmulate 模板時(shí)，形參 op 對(duì)應(yīng)的實(shí)參只能是函數(shù)名、函數(shù)指針或者函數(shù)對(duì)象。

下面的程序通過(guò) accumulate 模板求一個(gè) vector 中元素的平方和，其中用到了函數(shù)對(duì)象。

#include <iostream>
#include <vector>
#include <numeric> //accumulate 在此頭文件定義
using namespace std;
template <class T>
void PrintInterval(T first, T last)
{ //輸出區(qū)間[first,last)中的元素
  for (; first != last; ++first)
    cout << *first << " ";
  cout << endl;
}
int SumSquares(int total, int value)
{
  return total + value * value;
}
template<class T>
class SumPowers
{
private:
  int power;
public:
  SumPowers(int p) :power(p) { }
  const T operator() (const T & total, const T & value)
  { //計(jì)算 value的power次方，加到total上
    T v = value;
    for (int i = 0; i < power - 1; ++i)
      v = v * value;
    return total + v;
  }
};
int main()
{
  const int SIZE = 10;
  int a1[] = { 1,2,3,4,5,6,7,8,9,10 };
  vector<int> v(a1, a1 + SIZE);
  cout << "1) "; PrintInterval(v.begin(), v.end());
  int result = accumulate(v.begin(), v.end(), 0, SumSquares);
  cout << "2) 平方和：" << result << endl;
  result = accumulate(v.begin(), v.end(), 0, SumPowers<int>(3));
  cout << "3) 立方和：" << result << endl;
  result = accumulate(v.begin(), v.end(), 0, SumPowers<int>(4));
  cout << "4) 4次方和：" << result;
  return 0;
}

程序的輸出結(jié)果如下：
1)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
2)平方和:385
3)立方和3025
4)4次方和:25333

第 37 行，第四個(gè)參數(shù)是 SumSquares 函數(shù)的名字。函數(shù)名字的類型是函數(shù)指針，因此本行將 accumulate 模板實(shí)例化后得到的模板函數(shù)定義如下：

int accumulate(vector <int>::iterator first, vector <int>::iterator last, int init, int(*op)(int, int))
{
  for (; first != last; ++first)
    init = op(init, *first);
  return init;
}

形參 op 是一個(gè)函數(shù)指針，而op(init, *first)就調(diào)用了指針 op 指向的函數(shù)，在第 37 行的情況下就是函數(shù) SumSquares。

第 39 行，第四個(gè)參數(shù)是 SumPowers<int>(3)。SumPowers 是類模板的名字，SumPowers<int> 就是類的名字。類的名字后面跟著構(gòu)造函數(shù)的參數(shù)列表，就代表一個(gè)臨時(shí)對(duì)象。因此 SumPowers<int>(3) 就是一個(gè) SumPowers<int> 類的臨時(shí)對(duì)象。

編譯器在編譯此行時(shí)，會(huì)將 accumulate 模板實(shí)例化成以下函數(shù)：

int accumulate(vector<int>::iterator first, vector<int>::iterator last, int init, SumPowers<int> op)
{
  for (; first != last; ++first)
    init = op(init, *first);
  return init;
}

形參 op 是一個(gè)函數(shù)對(duì)象，而op(init, *first)等價(jià)于：

op.operator()(init, *first);

即調(diào)用了 SumPowers<int> 類的 operator() 成員函數(shù)。

對(duì)比 SumPowers 和 SumSquares 可以發(fā)現(xiàn)，函數(shù)對(duì)象的 operator() 成員函數(shù)可以根據(jù)對(duì)象內(nèi)部的不同狀態(tài)執(zhí)行不同操作，而普通函數(shù)就無(wú)法做到這一點(diǎn)。因此函數(shù)對(duì)象的功能比普通函數(shù)更強(qiáng)大。

函數(shù)對(duì)象應(yīng)用實(shí)例2：在sort算法中的應(yīng)用

STL 中的排序模板 sort 能將區(qū)間從小到大排序。sort 算法有兩個(gè)版本。第一個(gè)版本的原型如下：

template <class_Randlt>
void sort(_Randlt first, _RandIt last);

該模板可以用來(lái)將區(qū)間 [first, last) 中的元素從小到大排序，要求 first、last 是隨機(jī)訪問(wèn)迭代器。元素比較大小是用<進(jìn)行的。如果表達(dá)式a<b的值為 true，則 a 排在 b 前面；如果a<b的值為 false，則 b 未必排在 a 前面，還要看b<a是否成立，成立的話 b 才排在 a 前面。要使用這個(gè)版本的 sort 算法，待排序的對(duì)象必須能用<運(yùn)算符進(jìn)行比較。

sort 算法第二個(gè)版本的原型如下：

template <class_Randlt, class Pred>
void sort(_Randlt first, _RandIt last, Pred op);

這個(gè)版本和第一個(gè)版本的差別在于，元素 a、b 比較大小是通過(guò)表達(dá)式op(a, b)進(jìn)行的。如果該表達(dá)式的值為 true，則 a 比 b ?。蝗绻摫磉_(dá)式的值為 false，也不能認(rèn)為 b 比 a 小，還要看op(b, a)的值?？傊?，op 定義了元素比較大小的規(guī)則。下面是一個(gè)使用 sort 算法的例子。

#include <iostream>
#include <algorithm> //sort算法在此頭文件中定義
using namespace std;
template <class T>
void Printlnterva1(T first, T last)
{ //用以輸出 [first, last) 區(qū)間中的元素
  for (; first != last; ++first)
    cout << *first << " ";
  cout << endl;
}
class A
{
public:
  int v;
  A(int n) : v(n) {}
};
bool operator < (const A & a1, const A & a2)
{ //重載為 A 的 const 成員函數(shù)也可以，重載為非 const 成員函數(shù)在某些編譯器上會(huì)出錯(cuò)
  return a1.v < a2.v;
}
bool GreaterA(const A & a1, const A & a2)
{ //v值大的元素作為較小的數(shù)
  return a1.v > a2.v;
}
struct LessA
{
  bool operator() (const A & a1, const A & a2)
  { //v的個(gè)位數(shù)小的元素就作為較小的數(shù)
    return (a1.v % 10) < (a2.v % 10);
  }
};
ostream & operator << (ostream & o, const A & a)
{
  o << a.v;
  return o;
}
int main()
{
  int a1[4] = { 5, 2, 4, 1 };
  A a2[5] = { 13, 12, 9, 8, 16 };
  sort(a1, a1 + 4);
  cout << "1)"; Printlnterva1(a1, a1 + 4); //輸出 1)1 2 4 5
  sort(a2, a2 + 5); //按v的值從小到大排序
  cout << "2)"; Printlnterva1(a2, a2 + 5); //輸出 2)8 9 12 13 16
  sort(a2, a2 + 5, GreaterA); //按v的值從大到小排序
  cout << "3)"; Printlnterva1(a2, a2 + 5); //輸出 3)16 13 12 9 8
  sort(a2, a2 + 5, LessA()); //按v的個(gè)位數(shù)從小到大排序
  cout << "4)"; Printlnterva1(a2, a2 + 5); //輸出 4)12 13 16 8 9
  return 0;
}

編譯至第 45 行時(shí)，編譯器將 sort 實(shí)例化得到的函數(shù)原型如下：

void sort(A* first, A* last, bool (*op)(const A &, const A &) );

該函數(shù)在執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)要比較兩個(gè)元素 a、b 的大小時(shí)，就是看 op(a, b) 和 op(b, a) 的返回值。本程序中 op 指向 GreaterA,因此就用 GreaterA 定義的規(guī)則來(lái)比較大小。

編譯至第 47 行時(shí)，編譯器將 sort 實(shí)例化得到的函數(shù)原型如下：

void sort( A* first, A* last, LessA op);

該函數(shù)在執(zhí)行過(guò)程中，當(dāng)要比較兩個(gè)元素 a、b 的大小時(shí)，就是看 op(a, b) 和 op(b, a) 的返回值。本程序中，op(a, b) 等價(jià)于 op.opeartor(a, b)，因此就用 LessA 定義的規(guī)則來(lái)比較大小。

STL 中定義了一些函數(shù)對(duì)象類模板，都位于頭文件 functional 中。例如，greater 模板的源代碼如下：

template <class T>
struct greater
{
  bool operator()(const T& x, const T& y) const{
    return x > y;
  }
};

假設(shè)有以下數(shù)組：

int a[4] = {3, 5, 34, 8};

要將該數(shù)組從大到小排序，則只需寫：

sort( a, a+4, greater<int>() );

要使用 greater 模板，須確保>運(yùn)算符本來(lái)就有定義，或經(jīng)過(guò)了適當(dāng)?shù)闹剌d。

list 容器的 sort 成員能將元素從小到大排序。它也有兩個(gè)版本：一個(gè)是沒(méi)有參數(shù)的函數(shù)，比較大小用<運(yùn)算符；另一個(gè)是函數(shù)模板，原型如下：

template <class Pred>
void sort(Pred op);

sort 函數(shù)允許自定義比較大小的規(guī)則，即 op(x, y) 為真就認(rèn)為 x 比 y 小。例如，假設(shè)有：

list<int> lst;

如果希望將 lst 中的元素按其整數(shù)數(shù)值從大到小排序，只需寫：

lst.sort( greater<int>() );

在使用關(guān)聯(lián)容器和許多算法時(shí)，都可以用函數(shù)對(duì)象來(lái)定義比較大小的規(guī)則，以及其他一些規(guī)則和操作。

STL 中的函數(shù)對(duì)象類模板

STL 中有一些函數(shù)對(duì)象類模板，如表 1 所示。

表1：STL 中的函數(shù)對(duì)象類模板

例如，如果要求兩個(gè) double 型變量 x、y 的乘積，可以寫：

multiplies<double> () (x, y)

less 是 STL 中最常用的函數(shù)對(duì)象類模板，其定義如下：

template <class_Tp>
struct less
{
  bool operator() (const_Tp & __x, const_Tp & __y) const
  { return __x < __y; }
};

要判斷兩個(gè) int 變量 x、y 中 x 是否比 y 小，可以寫：

if( less<int>()(x, y) ) { ... }

引入函數(shù)對(duì)象后 STL 中的“大”、“小”和“相等”概念

前面提到過(guò)，默認(rèn)情況下，STL 中的容器和算法比較元素的大小是通過(guò)<運(yùn)算符進(jìn)行的。通過(guò) 10.3.4 節(jié)可知，sort 和 list::sort 都可以通過(guò)一個(gè)函數(shù)對(duì)象或函數(shù)自定義比較元素大小的規(guī)則。例如以下的 sort 版本：

template <class_RandIt, class Pred>
void sort(_RandIt first, _RandIt last, Pred op);

實(shí)際調(diào)用 sort 時(shí)，和 op 對(duì)應(yīng)的實(shí)參可以是一個(gè)函數(shù)對(duì)象或者函數(shù)的名字。sort 在執(zhí)行過(guò)程中用 op(x, y) 比較 x 和 y 的大小，因此可以將 op 稱為自定義的“比較器”。

關(guān)聯(lián)容器中的元素是從小到大排序的。使用關(guān)聯(lián)容器時(shí)，也可以用自定義的比較器取代<運(yùn)算符，以規(guī)定元素之間的大小關(guān)系。STL 中還有許多算法都可以自定義比較器。在自定義比較器 op 的情況下，以下三種說(shuō)法是等價(jià)的：

• x 小于 y。

• op(x, y) 的返回值為 true。

• y 大于 x。

同樣地，對(duì)關(guān)聯(lián)容器的 find 和 count 成員函數(shù)以及其他一些在有序區(qū)間上的 STL 算法而言，在自定義比較器 op 的情況下，x和y相等與op(x, y)和op(y, x)都為假是等價(jià)的。

關(guān)于一文讀懂C++中的函數(shù)對(duì)象就分享到這里了，希望以上內(nèi)容可以對(duì)大家有一定的幫助，可以學(xué)到更多知識(shí)。如果覺(jué)得文章不錯(cuò)，可以把它分享出去讓更多的人看到。