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使用STL仿函數(shù)和判斷式來降低復雜性并改善可讀性 作者： 周靖
標準模板庫（STL）包含C++程序員不可或缺的許多東西。它還有力證明了C++的概念化編程能力。STL的概念包括容器（container）、范圍（range）、算法(algorithm)以及仿函數(shù)（functor）。本文著重講解仿函數(shù)，它本質(zhì)上是一個類，但通過重載operator()，所以行為與函數(shù)相似。這個概念在STL之前便已存在，STL只是從另一個角度來看待它。繼續(xù)閱讀本文，你就能體會到個中三味。
算法、范圍和函數(shù)
STL以泛型方式來處理函數(shù)。假如一個參數(shù)的行為應(yīng)該與函數(shù)相仿，STL算法就不關(guān)心它是一個實際的C++函數(shù)，還是一個仿函數(shù)。出于本文的目的，假定某個類有一個重載的operator()，而且重載的operator()要求獲取一個參數(shù)，我們就將這個類稱為“一元仿函數(shù)”（unary functor）；相反，如果重載的operator()要求獲取兩個參數(shù)，就將這個類稱為“二元仿函數(shù)”（binary functor）。
STL算法適用于范圍。你可使用函數(shù)，并將它們應(yīng)用于一個范圍中的每個元素（參見清單A）。這樣一來，就可以處理三種類型的函數(shù)：
- 獲取零個參數(shù)的函數(shù)，也稱為“生成器”（generators），它們能生成范圍。例如，假定一個函數(shù)能生成斐波那契數(shù)字，那么對該函數(shù)的每一個調(diào)用都能生成斐波那契數(shù)列中的下一個數(shù)字。
- 獲取一個參數(shù)的函數(shù)（一元函數(shù)）。
- 獲取兩個參數(shù)的函數(shù)（二元函數(shù)）。
這其實已覆蓋了大多數(shù)情況。極少數(shù)情況下，你要求函數(shù)獲取3個或者3個以上的參數(shù)。在這種情況下，可考慮采取其他方式。例如，可將多個參數(shù)打包到一個結(jié)構(gòu)中，再按引用傳遞它。
仿函數(shù)：用途和適用的場合
之所以要開發(fā)仿函數(shù)（functors），是因為函數(shù)不能容納任何有意義的狀態(tài)。例如，使用函數(shù)，你不能為某個元素加一個任意值，再將其應(yīng)用于一個范圍。但是，使用仿函數(shù)可輕易做到這一點，如清單B所示。
這演示了仿函數(shù)的一個主要優(yōu)點——它們可以有背景（context）或狀態(tài)。下面是使用仿函數(shù)時要記住的要點：
- 仿函數(shù)以傳值方式傳給一個算法。
- 每次只能應(yīng)用一個仿函數(shù)，方法是為范圍中的每個元素應(yīng)用operator()。
- 使用仿函數(shù)，可對范圍中的每個函數(shù)做某事（比如為每個元素都乘以5），可基于整個范圍來計算某個有意義的結(jié)果（比如求所有元素的平均值），或者同時進行這兩種操作。
- 對于一個給定的范圍，仿函數(shù)不知道它要應(yīng)用于多少個元素。
假定你要創(chuàng)建一個函數(shù)，要求它在給定一個范圍的情況下，能為每個元素都返回當前已處理的所有元素的平均值。換言之：
- 處理x1時，返回x1
- 處理x2時，返回(x1 + x2) / 2
- 處理x3時，返回(x1 + x2 + x3) / 3
清單C展示了怎樣實現(xiàn)這個任務(wù)。
只要親自編寫和使用一下仿函數(shù)，就會體會到它具體如何降低復雜性。你不必關(guān)心整個范圍，只需將注意力集中在一個元素上。這同時還有助于改善代碼的可讀性。清單D給出了示范性的generate_fibonacci代碼。
前面講述的都是一元仿函數(shù)。二元仿函數(shù)同等重要。二元仿函數(shù)同時應(yīng)用于兩個范圍，或者應(yīng)用于某個范圍中的兩個元素。二元仿函數(shù)的operator()要求獲取兩個參數(shù)，而不是一個。假定你有兩個范圍，分別有相同數(shù)量的元素，而你希望構(gòu)建一個新的范圍，比如：
- 第一個元素：x1 * y1
- 第二個元素：- x2 * y2
- 第三個元素：x3 * y3
- 第四個元素：- x4 * y4，等等。
清單E給出了一個示范性的實現(xiàn)。
為什么需要判斷式
“判斷式”（predicates）是仿函數(shù)的特例。事實上，你要寫的許多仿函數(shù)都是判斷式。假如一個仿函數(shù)返回的值能轉(zhuǎn)換成bool類型（可為true或false），這個仿函數(shù)就是判斷式。一元判斷式（獲取一個參數(shù)）能實現(xiàn)“篩選”，如清單F所示。
二元判斷式能實現(xiàn)“比較相等性”和“排序”（比較兩個值，判斷一個是否小于另一個）。清單G展示了怎樣比較兩個范圍的“近似”相等性。
不要低估判斷式的重要性。下一次寫代碼時，注意一下你會在篩選、比較相等性以及排序上花費多少時間。使用判斷式，不僅能節(jié)省大量時間，還能使編碼工作更加輕松愜意。除此之外，代碼還會變得更容易理解。
使用綁定仿函數(shù)
仿函數(shù)和判斷式的真正優(yōu)勢反映在它們與binder組合使用的時候。binder允許為二元仿函數(shù)或判斷式綁定一個值，從而將那個值固定下來。你可以綁定第一個或者第二個參數(shù)。隨即，二元仿函數(shù)會變成一元仿函數(shù)。比如：
- f = std::bind1st( functor, v); 'f( x)'等價于'functor( v, x)'
- f = std::bind2nd( functor, v); 'f( x)'等價于'functor( x, v)'
你可以綁定一個二元仿函數(shù)，獲得一個一元仿函數(shù)，再把它應(yīng)用于一個范圍。例如，假定我們要在一個范圍中找出小于10的所有元素，清單H展示了具體怎樣做。
如清單I所示，如果綜合運用binder、仿函數(shù)和算法，就能獲得多個方面的好處，包括：
- 可以只打印小于一個給定值的元素。
- 可以對范圍進行分區(qū)，一個分區(qū)包含小于或等于一個值的元素，另一個分區(qū)則包含不小于那個值的元素。
- 可以使范圍中的所有元素都乘以一個值。
- 可以移除大于一個給定值的所有元素。
- 可以替換大于或等于一個值的所有元素。
STL配套提供了大量預定義的仿函數(shù)和判斷式，包括std::less，std::greater，std::plus和std::minus，它們都在<functional>標頭中。
更多信息
建議閱讀由SGI提供的
STL文檔。
其他不錯的參考資料包括：
Andrei Alexandrescu,，
Modern C++ DesignScott Meyers，
Effective STL
可配接函數(shù)
在泛型編程中使用仿函數(shù)時，有時想要知道仿函數(shù)的參數(shù)類型以及/或者仿函數(shù)的返回類型。例如，假定我們要實現(xiàn)bind2nd,，如清單J所示。
由于bind1st和bind2nd是如此重要，所以人們研究出了同時支持兩者的一個方案，這就是“可配接函數(shù)”（adaptable functions）?？膳浣雍瘮?shù)具有嵌套的typedef，它允許客戶端知道函數(shù)的參數(shù)和函數(shù)的返回類型。對于一元可配接仿函數(shù)來說，我們有argument_type和return_type。對于二元可配接仿函數(shù)來說，我們有first_argument_type，second_argument_type和return_type。為了獲得這些typedef，簡單的辦法就是從std::unary_function或者std::binary_function派生出它們。本文的所有程序清單都采用了這個辦法。
注意，bind1st和bind2nd并非惟一要用到可配接函數(shù)的函數(shù)。另一些函數(shù)也需要；在你寫自己的仿函數(shù)時，也可能要用到它們。正是因為這個原因，所以我們建議你盡可能使你的仿函數(shù)成為“可配接”的。
仿函數(shù)的一些局限
雖然仿函數(shù)和判斷式非常出色，但在寫一元和二元仿函數(shù)時，仍然必須非常小心。除非與std::for_each算法配合使用，否則它們所容納的背景（context）應(yīng)該是保持不變的（如果有任何成員變量，它們應(yīng)該在構(gòu)造函數(shù)中實例化，并在之后保持不變）。所以，根據(jù)C++標準，清單C的例子是有問題的，雖然它在目前所有平臺上都能正常地工作（每次應(yīng)用operator()時，average結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)成員都會改變）。
一切才剛剛開始
本文只是接觸了泛型編程的一些皮毛。要想真正理解仿函數(shù)和判斷式，你必須親自編寫并使用它們。只有這樣，才能找出越來越多適合使用它們的情況，并真正體會到它們?nèi)绾闻c算法良好地配合。
責任編輯：
李寧