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C++/functional

< C++

functional是b:C++標準程式庫中的一個b:頭文件，定義了C++ STL標準中的基礎性的算法（均為函數模板）。

命名空間placeholders

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定義了用作 std::bind 表達式中的未綁定實參的占位符常量：_1, _2, _3, _4, ...

類

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function類模板

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包裝具有指定的函數調用簽名的可調用對象類型。

必要性：如果lambda表達式賦值給一個函數指針，則編譯報錯。這就需要一個能保存各種可調用類型對象的辦法。實際上，lambda表達式有可能捕獲外部對象及其值做成閉包，因此每個lambda表達式都是獨一無二的類型。

std::function是一個可變參類模板，是一個通用的函數包裝器（Polymorphic function wrapper）。std::function的實例可以存儲、複製和調用任何可複製構造的可調用目標，包括普通函數、成員函數、類對象（重載了operator()的類的對象）、Lambda表達式等。是對C++現有的可調用實體的一種類型安全的包裹（相比而言，函數指針這種可調用實體，是類型不安全的）。

std::function中存儲的可調用對象被稱之為std::function的目標。若std::function中不含目標，調用不含目標的std::function會拋出std::bad_function_call 異常。 

#include <functional>
#include <iostream>

// 定义一个类，用function包裹其成员
struct Foo {
    Foo(int num) : num_(num) {}
    void print_add(int i) const { std::cout << num_+i << '\n'; }
    int num_;
};

// 定义一个普通函数，用function进行包裹
void print_num(int i)
{
    std::cout << i << '\n';
}

// 定义一个重载了operator()的类，function可以包裹其对象
struct PrintNum {
    void operator()(int i) const {
        std::cout << i << '\n';
    }
};
 
int main()
{
    // 存储自由函数
    std::function<void(int)> f_display = print_num;
    f_display(-9);
 
    // 存储 lambda
    std::function<void()> f_display_42 = []() { print_num(42); };
    f_display_42();
 
    // 存储到 std::bind 调用的结果
    std::function<void()> f_display_31337 = std::bind(print_num, 31337);
    f_display_31337();
 
    // 存储到成员函数的调用，第一个入参为this指针
    std::function<void(const Foo&, int)> f_add_display = &Foo::print_add;
    const Foo foo(314159);
    // 第一个入参为this指针
    f_add_display(foo, 1);
    f_add_display(314159, 1);
 
    // 存储到数据成员访问器的调用
    std::function<int(Foo const&)> f_num = &Foo::num_;
    std::cout << "num_: " << f_num(foo) << '\n';
 
    // 存储到成员函数及对象的调用
    using std::placeholders::_1;
    std::function<void(int)> f_add_display2 = std::bind( &Foo::print_add, foo, _1 );
    f_add_display2(2);
 
    // 存储到成员函数和对象指针的调用
    std::function<void(int)> f_add_display3 = std::bind( &Foo::print_add, &foo, _1 );
    f_add_display3(3);
 
    // 存储到函数对象的调用
    std::function<void(int)> f_display_obj = PrintNum();
    f_display_obj(18);
 
    auto factorial = [](int n) {
        // 存储 lambda 对象以模拟“递归 lambda ”，注意额外开销
        std::function<int(int)> fac = [&](int n){ return (n < 2) ? 1 : n*fac(n-1); };
        // note that "auto fac = [&](int n){...};" does not work in recursive calls
        return fac(n);
    };
    for (int i{5}; i != 8; ++i) { std::cout << i << "! = " << factorial(i) << ";  "; }
}

mem_fn函數模板

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從成員指針創建出函數對象。對數據成員指針也適用。與bind函數模板的區別是，mem_fn只關注、包裝了類成員指針，而bind需要指明參數。例如： 

#include <functional>
#include <iostream>
 
struct Foo {
    void display_greeting() {
        std::cout << "Hello, world.\n";
    }
    void display_number(int i) {
        std::cout << "number: " << i << '\n';
    }
    int data = 7;
};
 
int main() {
    Foo f;
 
    auto greet = std::mem_fn(&Foo::display_greeting);
    greet(&f);
 
    auto print_num = std::mem_fn(&Foo::display_number);
    print_num(&f, 42);
 
    auto access_data = std::mem_fn(&Foo::data);
    std::cout << "data: " << access_data(&f) << '\n';
}

bad_function_call類

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調用空的 std::function 時拋出的異常

is_bind_expression類模板

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若類型T是調用 std::bind 產生的類型，則此模板從 std::true_type 導出。對於任何其他類型，此模板從 std::false_type 導出。

is_placeholder類模板

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若類型T是標準占位符_1 、 _2 、 _3、……的類型，則此模板分別派生自std::integral_constant<int,1> 、 std::integral_constant<int,2> 、 std::integral_constant<int,3> 等。

若類型T不是標準占位符類型，則此模板派生自std::integral_constant<int,0>。

實際上，bind函數模板用is_placeholder來確定是第幾個參數的占位符。

reference_wrapper類模板

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可複製構造 (CopyConstructible) 且可複製賦值 (CopyAssignable) 的引用包裝器（引用的容器）。實現時，有一個數據類型的指針成員變量，在需要數據類型引用時返回相應的解引用。

hash類模板

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template< class Key > struct hash;

允許的特化模板類是「函數對象」，實現了哈希函數。即定義了operator() const，接受一個Key類型的參數，返回size_t的哈希結果值。對於一個類型，相同值具有相同的哈希結果，不同值具有不同的哈希結果（受限於size_t的值域）。該類別用於4種無序關聯容器，不適用於加密算法。

各種基礎類型、大多數標準庫的類型（如std::string<、code>）已经特化实现了hash类模板。但对于std::pair，需要用boost::hash

對自定義的類實現hash功能，有兩種辦法： 

#include <cstddef>
#include <functional>
#include <iomanip>
#include <iostream>
#include <string>
#include <unordered_set>
 
struct S
{
    std::string first_name;
    std::string last_name;
    bool operator==(const S&) const = default; // since C++20
};
 
// Before C++20.
// bool operator==(const S& lhs, const S& rhs)
// {
//     return lhs.first_name == rhs.first_name && lhs.last_name == rhs.last_name;
// }
 
// Custom hash can be a standalone function object.
struct MyHash
{
    std::size_t operator()(const S& s) const noexcept
    {
        std::size_t h1 = std::hash<std::string>{}(s.first_name);
        std::size_t h2 = std::hash<std::string>{}(s.last_name);
        return h1 ^ (h2 << 1); // or use boost::hash_combine
    }
};
 
// Custom specialization of std::hash can be injected in namespace std.
template<>
struct std::hash<S>
{
    std::size_t operator()(const S& s) const noexcept
    {
        std::size_t h1 = std::hash<std::string>{}(s.first_name);
        std::size_t h2 = std::hash<std::string>{}(s.last_name);
        return h1 ^ (h2 << 1); 
        // or use boost::hash_combine:
        // std::size_t seed = 0;
        // boost::hash_combine(seed, s.first_name);
        // boost::hash_combine(seed, s.last_name);
    }
};

//推荐用法
	template <class T> class A {
		T x;
	public:
		A(T x) : x(x) {}
		bool operator==(A const& b) { return x == b.x; }            //可定义为成员或普通函数
		//std::size_t hash_value() { return boost::hash<T>()(x); }  //error不能定义为类成员函数
		friend std::size_t hash_value(const A<T>& a) { return boost::hash<T>{}(a.x); }
	};

//备选用法-编译器若不支持模板friend(不支持 ADL 的编译器)
	// （不能声明为friend hash_value)hash_value需要在boost命名空间中定义
	template <class T> class A1 {
		T x;
	public:
		A1(T x) : x(x) {}
		bool operator==(A1 const& b) { return x == b.x; }//可定义为成员或普通函数
		std::size_t hash() const {return boost::hash<T>{}(x); }
	};

template <class T>std::size_t hash_value(A1<T> x){return x.hash();}
 
int main()
{
    std::string str = "Meet the new boss...";
    std::size_t str_hash = std::hash<std::string>{}(str);
    std::cout << "hash(" << std::quoted(str) << ") =\t" << str_hash << '\n';
 
    S obj = {"Hubert", "Farnsworth"};
    // Using the standalone function object.
    std::cout << "hash(" << std::quoted(obj.first_name) << ", "
              << std::quoted(obj.last_name) << ") =\t"
              << MyHash{}(obj) << " (using MyHash) or\n\t\t\t\t"
              << std::hash<S>{}(obj) << " (using injected specialization)\n";
 
    // Custom hash makes it possible to use custom types in unordered containers.
    // The example will use the injected std::hash<S> specialization above,
    // to use MyHash instead, pass it as a second template argument.
    std::unordered_set<S> names = {obj, {"Bender", "Rodriguez"}, {"Turanga", "Leela"}};
    for (auto const& s: names)
        std::cout << std::quoted(s.first_name) << ' '
                  << std::quoted(s.last_name) << '\n';
}

函數

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bind函數模板

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綁定一或多個實參到函數對象。參見示例一節。

ref與cref函數模板

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創建具有從其實參推導的類型的 std::reference_wrapper

invoke函數模板

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(C++17)以給定實參調用任意可調用 (Callable) 對象

函數對象

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算術運算

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  • plus類模板
  • minus類模板
  • multiplies類模板
  • divides類模板
  • modulus類模板
  • negate類模板

比較

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  • equal_to類模板
  • not_equal_to類模板
  • greater類模板
  • less類模板
  • greater_equal類模板
  • less_equal類模板

C++20概念制約的比較

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  • ranges::equal_to類
  • ranges::not_equal_to類
  • ranges::greater類
  • ranges::less類
  • ranges::greater_equal類
  • ranges::less_equal類

邏輯運算

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  • logical_and類模板
  • logical_or類模板
  • logical_not類模板

位運算

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  • bit_and類模板
  • bit_or類模板
  • bit_xor類模板
  • bit_not類模板

取反器

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not_fn函數模板：(C++17)創建返回其保有的函數對象的結果之補的函數對象

搜索器

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  • default_searcher類模板：(C++17)標準 C++ 庫搜索算法實現
  • boyer_moore_searcher類模板：(C++17)Boyer-Moore 搜索算法實現
  • boyer_moore_horspool_searcher類模板：(C++17)Boyer-Moore-Horspool 搜索算法實現

示例

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#include <functional>
#include <iostream>
using namespace std;

std::function< int(int)> Functional;

// 普通函数
int TestFunc(int a)
{
	return a;
}

// Lambda表达式
auto lambda = [](int a)->int { return a; };

// 仿函数(functor)
class Functor
{
public:
	int operator()(int a)
	{
		return a;
	}
};

// 1.类成员函数
// 2.类静态函数
class TestClass
{
public:
	int ClassMember(int a) { return a; }
	static int StaticMember(int a) { return a; }
};

int main()
{
	// 普通函数
	Functional = TestFunc;
	int result = Functional(10);
	cout << "普通函数：" << result << endl;

	// Lambda表达式
	Functional = lambda;
	result = Functional(20);
	cout << "Lambda表达式：" << result << endl;

	// 仿函数
	Functor testFunctor;
	Functional = testFunctor;
	result = Functional(30);
	cout << "仿函数：" << result << endl;

	// 类成员函数
	TestClass testObj;
	Functional = std::bind(&TestClass::ClassMember, testObj, std::placeholders::_1);
	result = Functional(40);
	cout << "类成员函数：" << result << endl;

	// 类静态函数
	Functional = TestClass::StaticMember;
	result = Functional(50);
	cout << "类静态函数：" << result << endl;

	return 0;
}
取自「https://zh.wikibooks.org/w/index.php?title=C%2B%2B/functional&oldid=178360」