C++函數對象詳解附帶實例

Posted on 2021-03-04 by WalkonNet

如果一個類將()運算符重載為成員函數，這個類就稱為函數對象類，這個類的對象就是函數對象。函數對象是一個對象，但是使用的形式看起來像函數調用，實際上也執行瞭函數調用，因而得名。

下面是一個函數對象的例子。

#include <iostream>
using namespace std;
class CAverage
{
public:
  double operator()(int a1, int a2, int a3)
  { //重載()運算符
    return (double)(a1 + a2 + a3) / 3;
  }
};
int main()
{
  CAverage average; //能夠求三個整數平均數的函數對象
  cout << average(3, 2, 3); //等價於 cout << average.operator(3, 2, 3);
  return 0;
}

程序的輸出結果是：
2. 66667

()是目數不限的運算符，因此重載為成員函數時，有多少個參數都可以。

average 是一個對象，average(3, 2, 3) 實際上就是 average.operator(3, 2, 3)，這使得 average 看上去像函數的名字，故稱其為函數對象。

函數對象應用實例1：在 accumulate 算法中的應用

STL 中有以下實現“累加”功能的算法（函數模板）：

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 [first, last) 中的每個迭代器 I 執行 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;
};

此模板被實例化後，op(init, *first)必須要有定義，則 op 隻能是函數指針或者函數對象。因此調用該 accmulate 模板時，形參 op 對應的實參隻能是函數名、函數指針或者函數對象。

下面的程序通過 accumulate 模板求一個 vector 中元素的平方和，其中用到瞭函數對象。

#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，第四個參數是 SumSquares 函數的名字。函數名字的類型是函數指針，因此本行將 accumulate 模板實例化後得到的模板函數定義如下：

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 是一個函數指針，而op(init, *first)就調用瞭指針 op 指向的函數，在第 37 行的情況下就是函數 SumSquares。

第 39 行，第四個參數是 SumPowers<int>(3)。SumPowers 是類模板的名字，SumPowers<int> 就是類的名字。類的名字後面跟著構造函數的參數列表，就代表一個臨時對象。因此 SumPowers<int>(3) 就是一個 SumPowers<int> 類的臨時對象。

編譯器在編譯此行時，會將 accumulate 模板實例化成以下函數：

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 是一個函數對象，而op(init, *first)等價於：

op.operator()(init, *first);

即調用瞭 SumPowers<int> 類的 operator() 成員函數。

對比 SumPowers 和 SumSquares 可以發現，函數對象的 operator() 成員函數可以根據對象內部的不同狀態執行不同操作，而普通函數就無法做到這一點。因此函數對象的功能比普通函數更強大。

函數對象應用實例2：在sort算法中的應用

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

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

該模板可以用來將區間 [first, last) 中的元素從小到大排序，要求 first、last 是隨機訪問迭代器。元素比較大小是用<進行的。如果表達式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。要使用這個版本的 sort 算法，待排序的對象必須能用<運算符進行比較。

sort 算法第二個版本的原型如下：

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

這個版本和第一個版本的差別在於，元素 a、b 比較大小是通過表達式op(a, b)進行的。如果該表達式的值為 true，則 a 比 b 小；如果該表達式的值為 false，也不能認為 b 比 a 小，還要看op(b, a)的值。總之，op 定義瞭元素比較大小的規則。下面是一個使用 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 成員函數也可以，重載為非 const 成員函數在某些編譯器上會出錯
  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
  return a1.v > a2.v;
}
struct LessA
{
  bool operator() (const A & a1, const A & a2)
  { //v的個位數小的元素就作為較小的數
    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的個位數從小到大排序
  cout << "4)"; Printlnterva1(a2, a2 + 5); //輸出 4)12 13 16 8 9
  return 0;
}

編譯至第 45 行時，編譯器將 sort 實例化得到的函數原型如下：

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

該函數在執行過程中，當要比較兩個元素 a、b 的大小時，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 定義的規則來比較大小。

編譯至第 47 行時，編譯器將 sort 實例化得到的函數原型如下：

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

該函數在執行過程中，當要比較兩個元素 a、b 的大小時，就是看 op(a, b) 和 op(b, a) 的返回值。本程序中，op(a, b) 等價於 op.opeartor(a, b)，因此就用 LessA 定義的規則來比較大小。

STL 中定義瞭一些函數對象類模板，都位於頭文件 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;
  }
};

假設有以下數組：

int a[4] = {3, 5, 34, 8};

要將該數組從大到小排序，則隻需寫：

sort( a, a+4, greater<int>() );

要使用 greater 模板，須確保>運算符本來就有定義，或經過瞭適當的重載。

list 容器的 sort 成員能將元素從小到大排序。它也有兩個版本：一個是沒有參數的函數，比較大小用<運算符；另一個是函數模板，原型如下：

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

sort 函數允許自定義比較大小的規則，即 op(x, y) 為真就認為 x 比 y 小。例如，假設有：

list<int> lst;

如果希望將 lst 中的元素按其整數數值從大到小排序，隻需寫：

lst.sort( greater<int>() );

在使用關聯容器和許多算法時，都可以用函數對象來定義比較大小的規則，以及其他一些規則和操作。

STL 中的函數對象類模板

STL 中有一些函數對象類模板，如表 1 所示。

表1：STL 中的函數對象類模板

函數對象類模板	成員函數 T operator ( const T & x, const T & y) 的功能
plus <T>	return x + y;
minus < >	return x – y;
multiplies <T>	return x * y;
divides <T>	return x / y;
modulus <T>	return x % y;
	成員函數 bool operator( const T & x, const T & y) 的功能
equal_to <T>	return x == y;
not_equal_to <T>	return x! = y;
greater <T>	return x > y;
less <T>	return x < y;
greater_equal <T>	return x > = y;
less_equal <T>	return x <= y;
logical_and <T>	return x && y;
logical_or <T>	return x \|\| y;
	成員函數 T operator( const T & x) 的功能
negate <T>	return – x;
	成員函數 bool operator( const T & x) 的功能
logical_not <T>	return ! x;

例如，如果要求兩個 double 型變量 x、y 的乘積，可以寫：

multiplies<double> () (x, y)

less 是 STL 中最常用的函數對象類模板，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 int 變量 x、y 中 x 是否比 y 小，可以寫：

if( less<int>()(x, y) ) { ... }

引入函數對象後 STL 中的“大”、“小”和“相等”概念

前面提到過，默認情況下，STL 中的容器和算法比較元素的大小是通過<運算符進行的。通過 10.3.4 節可知，sort 和 list::sort 都可以通過一個函數對象或函數自定義比較元素大小的規則。例如以下的 sort 版本：

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

實際調用 sort 時，和 op 對應的實參可以是一個函數對象或者函數的名字。sort 在執行過程中用 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”。

關聯容器中的元素是從小到大排序的。使用關聯容器時，也可以用自定義的比較器取代<運算符，以規定元素之間的大小關系。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，以下三種說法是等價的：

x 小於 y。
op(x, y) 的返回值為 true。
y 大於 x。

同樣地，對關聯容器的 find 和 count 成員函數以及其他一些在有序區間上的 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)都為假是等價的。

到此這篇關於C++函數對象詳解附帶實例的文章就介紹到這瞭,更多相關C++ 函數對象內容請搜索WalkonNet以前的文章或繼續瀏覽下面的相關文章希望大傢以後多多支持WalkonNet！

C++函數對象詳解附帶實例

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