C++/Functional

Template:C++ Standard library <functional> 是C++標準程式庫中的一個標頭檔，定義了C++標準中的多個用於表示函數物件（function object）的類別模板（class template），包括算術操作、比較操作、邏輯操作；以及用於繫結函數物件的實參值的繫結器（binder）。這些類別模板的實例是具有函數呼叫運算子（function call operator）的C++的類別，這些類別的實例可以如同函數一樣呼叫。不必寫新的函數物件，而僅是組合預定義的函數物件與函數物件配接器（function object adaptor），就可以執行非常複雜的操作。

C++11標準提供了類別模板std::function是一個通用的、多型的函數包裝器（function wrapper）。std::function的實例可以儲存、複製、呼叫任何可呼叫目標—如函數、lambda表達式、bind表達式（函數配接器物件實例，通過設定參數值把函數變換到參數更少的其他函數）、其他函數物件。

相關概念

函數物件，是可以具有如同普通函數一樣的函數呼叫語法的數據物件。包括函數指標、類別成員函數指標、或者內部定義了函數呼叫運算子的類物件等。

C++的TR1標準引入了'呼叫特徵'（call signature）：函數返回類型，之後是用括號包起來的用逗號分隔的形參類型列表（可以為0個形參）。呼叫特徵廣泛用於STL的模板定義。 呼叫特徵定義了一個函數的類型，但與傳統的函數指標類型的定義不同，呼叫特徵不需要表示「指標」型的星號*。

可呼叫類型（callable type），包括函數指標、類別成員函數指標、 類數據成員指標（因為類的數據成員可能是個可呼叫類型）、或者內部定義了函數呼叫運算子的類類型。

C++標準庫提供的C++演算法，並不需要超過兩個參數的函數物件。返回布林型的函數是非常重要的特例，一元函式且返回值為布林型，稱為謂詞。二元函數返回布林型，稱為二元謂詞（binary predicate）。

可適配的函數物件

C++標準規定，可適配的函數物件（adaptable function object）必須用typedef來指出其參數類型與返回值類型。對於無參函數物件F0，必須定義類型F0::result_type。對於一元函式物件F1，必須定義類型F1::argument_type與F1::result_type。對於二元函數物件F2，必須定義F2::first_argument_type、F2::second_argument_type、F2::result_type。C++標準庫提供了作為基本類型unary_function與binary_function來簡化可適配的無參函數與一元函式。可以從這兩個類衍生自己的類。

類別模板

• bad_function_call 這是一個被投擲的異常類，用於表示被呼叫的函數物件為空。例如，定義了一個std::function物件，但尚未用函數指標或函數物件來初始化，就呼叫了這個std::function物件，這時投擲該異常類。
• binary_negate 這是一個類別模板用於包裝函數物件。初始化時在內部儲存了一個二元函數物件。呼叫時把指定的二元函數物件的返回值取反。
• binder1st 類別模板用於包裝函數物件。初始化時在內部儲存了一個二元函數物件，並把該二元函數的第一個參數繫結為一個固定的值，當作一元函式來呼叫。
• binder2nd 類別模板用於包裝函數物件。初始化時在內部儲存了一個二元函數物件，並把該二元函數的第二個參數繫結為一個固定的值，當作一元函式來呼叫。
• const_mem_fun_ref_t 類別模板作為配接器，初始化時在內部儲存一個無參的const型類別成員函數指標。呼叫時當作一元函式（傳入的參數實際上是類別成員函數所需的該類別實例的參照）。
• const_mem_fun_t 類別模板作為配接器，初始化時在內部儲存一個無參的const型類別成員函數指標。呼叫時當作一元函式（傳入的參數實際上是類別成員函數所需的該類別實例的指標）。
• const_mem_fun1_ref_t 類別模板作為配接器，初始化時在內部儲存一個單參的const型類別成員函數指標。呼叫時當作二元函數（傳入的第一個參數實際上是類別成員函數所需的該類別實例的參照）。
• const_mem_fun1_t 類別模板作為配接器，初始化時在內部儲存一個單參的const型類別成員函數指標。呼叫時當作二元函數（傳入的第一個參數實際上是類別成員函數所需的該類別實例的指標）。
• function 類別模板，用於包裝一個可呼叫（callable）的類。可以看做是C++98標準庫中函數物件mem_fun_t, pointer_to_unary_function等的替代品。function的模板參數是包裝的函數物件的call signature。可以直接包裝類別成員函數（在呼叫時必須把類別實例作為第一個參數）
• hash 模板類，其內部的函數成員運算子函數輸入為一個純量或字串，輸出為計算出來的hash值。用於STL的unordered_map, unordered_multimap, unordered_set, and unordered_multiset等模板類。
• is_bind_expression 類別模板，用於判斷指定表達式是否為std::bind函數返回的結果類型。
• is_placeholder 類別模板，用於判斷指定表達式是否為std::placeholders中定義的placeholder類型.
• mem_fun_ref_t 類別模板作為配接器，初始化時在內部儲存一個無參的non_const型類別成員函數指標。呼叫時當作一元函式（傳入的參數實際上是類別成員函數所需的該類別實例的參照）。
• mem_fun_t 類別模板作為配接器，初始化時在內部儲存一個無參的non_const型類別成員函數指標。呼叫時當作一元函式（傳入的參數實際上是類別成員函數所需的該類別實例的指標）。
• mem_fun1_ref_t 類別模板作為配接器，初始化時在內部儲存一個單參的non_const型類別成員函數指標。呼叫時當作二元函數（傳入的第一個參數實際上是類別成員函數所需的該類別實例的參照）。
• mem_fun1_t 類別模板作為配接器，初始化時在內部儲存一個單參的non_const型類別成員函數指標。呼叫時當作二元函數（傳入的第一個參數實際上是類別成員函數所需的該類別實例的指標）。
• pointer_to_binary_function 類別模板，用於把一個雙參的函數物件轉變為可適配的二元函數物件。即在內部定義 first_argument_type, second_argument_type, result_type三個類型。這樣才能進一步繫結參數等操作。
• pointer_to_unary_function 類別模板，用於把一個單參的函數物件轉變為可適配的一元函式物件。即在內部定義 argument_type, result_type兩個類型。這樣才能進一步繫結參數等操作。
• reference_wrapper 類別模板，用於包裝對一個實例的參照。如果被包裝的類型是一元函式物件或者二元函數物件，則會特化處理。
• result_of 類別模板，用於取出一個可呼叫函數物件的結果類型
• unary_negate 類別模板，用於把指定的單參謂詞的結果取反。

函數

• bind 把一個多參數函數物件轉化為可適配的函數物件，繫結任意的參數為確定的值，重新安排參數對應順序。
• bind1st C++98用於繫結二元函數的第一個參數為確定的值
• bind2nd C++98用於繫結二元函數的第二個參數為確定的值
• bit_and 返回一個bit_and結構，作為函數物件
• bit_or 返回一個bit_or結構，作為函數物件
• bit_xor 返回一個bit_xor結構，作為函數物件
• cref 把一個實例物件包裝為reference_wrapper模板類
• mem_fn 返回一個類別成員函數的包裝可呼叫類。呼叫時顯式傳遞一個類物件實例作為第一個參數。
• mem_fun 返回一個類別成員函數的包裝類物件mem_fun_t、mem_fun1_t等。用類物件的指標去呼叫包裝類物件。
• mem_fun_ref 返回一個類別成員函數的包裝類物件mem_fun_ref_t、mem_fun1_ref_t等。用類物件的參照去呼叫包裝類物件。
• not1 返回一個對謂詞的結果取反的函數物件包裝類
• not2 返回一個對二元謂詞的結果取反的函數物件包裝類
• ptr_fun 對函數物件，做可適配改造，返回pointer_to_binary_function或者pointer_to_unary_function類物件
• ref 對一個實例物件，返回一個reference_wrapper包裝類。以此作為函數物件的參數繫結，還可以修改原實例的值來改變繫結的參數值。
• swap 交換兩個function的值。

結構

C++標準標頭檔functional中預定義了多個函數物件，包括算術運算的plus、minus、multiplies、divides、modulus、negate；比較運算equal_to、not_equal_to、greater、less、greater_equal、less_equal；邏輯運算logical_and、logical_or、logical_not。

• binary_function 一個空基礎類別，用於衍生其他的二元函數物件的結構
• divides 做算術除法的函數物件的結構
• equal_to 做相等比較的二元謂詞的函數物件的結構
• greater 做大於比較的的二元謂詞的函數物件的結構
• greater_equal 做大於比較等於的的二元謂詞的函數物件的結構
• less 做小於比較的的二元謂詞的函數物件的結構
• less_equal 做小於比較等於的的二元謂詞的函數物件的結構
• logical_and 做邏輯與的的二元謂詞的函數物件的結構
• logical_not 做邏輯非的的謂詞的函數物件的結構
• logical_or 做邏輯或的的二元謂詞的函數物件的結構
• minus 做算術減法的函數物件的結構
• modulus 做算術模運算的函數物件的結構
• multiplies 做算術乘法的函數物件的結構
• negate 做算術相反數運算的函數物件的結構
• not_equal_to 做不等比較的二元謂詞的函數物件的結構
• plus 做算術加法的函數物件的結構
• unary_function 一個空基礎類別，用於衍生其他的一元函式物件的結構

物件

• _1 到 _M 用於指示bind函數的形參對應於被包裝函數的那個實參。

運算子

• operator== 比較函數物件是否為空指標
• operator!= 比較函數物件是否不為空指標

參考文獻

• C++ reference for standard function objects