C++/Functional

Template:C++ Standard library <functional> 是C++标准程式库中的一个头文件，定义了C++标准中的多个用于表示函数对象（function object）的类模板（class template），包括算术操作、比较操作、逻辑操作；以及用于绑定函数对象的实参值的绑定器（binder）。这些类模板的实例是具有函数调用运算符（function call operator）的C++的类，这些类的实例可以如同函数一样调用。不必写新的函数对象，而仅是组合预定义的函数对象与函数对象适配器（function object adaptor），就可以执行非常复杂的操作。

C++11标准提供了类模板std::function是一个通用的、多态的函数包装器（function wrapper）。std::function的实例可以存储、复制、调用任何可调用目标—如函数、lambda表达式、bind表达式（函数适配器对象实例，通过设定参数值把函数变换到参数更少的其他函数）、其他函数对象。

相关概念

函数对象，是可以具有如同普通函数一样的函数调用语法的数据对象。包括函数指针、类成员函数指针、或者内部定义了函数调用运算符的类对象等。

C++的TR1标准引入了'调用特征'（call signature）：函数返回类型，之后是用括号包起来的用逗号分隔的形参类型列表（可以为0个形参）。调用特征广泛用于STL的模板定义。 调用特征定义了一个函数的类型，但与传统的函数指针类型的定义不同，调用特征不需要表示“指针”型的星号*。

可调用类型（callable type），包括函数指针、类成员函数指针、 类数据成员指针（因为类的数据成员可能是个可调用类型）、或者内部定义了函数调用运算符的类类型。

C++标准库提供的C++算法，并不需要超过两个参数的函数对象。返回布尔型的函数是非常重要的特例，单参函数且返回值为布尔型，称为谓词。双参函数返回布尔型，称为二元谓词（binary predicate）。

可适配的函数对象

C++标准规定，可适配的函数对象（adaptable function object）必须用typedef来指出其参数类型与返回值类型。对于无参函数对象F0，必须定义类型F0::result_type。对于单参函数对象F1，必须定义类型F1::argument_type与F1::result_type。对于双参函数对象F2，必须定义F2::first_argument_type、F2::second_argument_type、F2::result_type。C++标准库提供了作为基类型unary_function与binary_function来简化可适配的无参函数与单参函数。可以从这两个类派生自己的类。

类模板

• bad_function_call 这是一个被抛出的异常类，用于表示被调用的函数对象为空。例如，定义了一个std::function对象，但尚未用函数指针或函数对象来初始化，就调用了这个std::function对象，这时抛出该异常类。
• binary_negate 这是一个类模板用于包装函数对象。初始化时在内部存储了一个双参函数对象。调用时把指定的双参函数对象的返回值取反。
• binder1st 类模板用于包装函数对象。初始化时在内部存储了一个双参函数对象，并把该双参函数的第一个参数绑定为一个固定的值，当作单参函数来调用。
• binder2nd 类模板用于包装函数对象。初始化时在内部存储了一个双参函数对象，并把该双参函数的第二个参数绑定为一个固定的值，当作单参函数来调用。
• const_mem_fun_ref_t 类模板作为适配器，初始化时在内部存储一个无参的const型类成员函数指针。调用时当作单参函数（传入的参数实际上是类成员函数所需的该类实例的引用）。
• const_mem_fun_t 类模板作为适配器，初始化时在内部存储一个无参的const型类成员函数指针。调用时当作单参函数（传入的参数实际上是类成员函数所需的该类实例的指针）。
• const_mem_fun1_ref_t 类模板作为适配器，初始化时在内部存储一个单参的const型类成员函数指针。调用时当作双参函数（传入的第一个参数实际上是类成员函数所需的该类实例的引用）。
• const_mem_fun1_t 类模板作为适配器，初始化时在内部存储一个单参的const型类成员函数指针。调用时当作双参函数（传入的第一个参数实际上是类成员函数所需的该类实例的指针）。
• function 类模板，用于包装一个可调用（callable）的类。可以看做是C++98标准库中函数对象mem_fun_t, pointer_to_unary_function等的替代品。function的模板参数是包装的函数对象的call signature。可以直接包装类成员函数（在调用时必须把类实例作为第一个参数）
• hash 模板类，其内部的函数成员运算符函数输入为一个标量或字符串，输出为计算出来的hash值。用于STL的unordered_map, unordered_multimap, unordered_set, and unordered_multiset等模板类。
• is_bind_expression 类模板，用于判断指定表达式是否为std::bind函数返回的结果类型。
• is_placeholder 类模板，用于判断指定表达式是否为std::placeholders中定义的placeholder类型.
• mem_fun_ref_t 类模板作为适配器，初始化时在内部存储一个无参的non_const型类成员函数指针。调用时当作单参函数（传入的参数实际上是类成员函数所需的该类实例的引用）。
• mem_fun_t 类模板作为适配器，初始化时在内部存储一个无参的non_const型类成员函数指针。调用时当作单参函数（传入的参数实际上是类成员函数所需的该类实例的指针）。
• mem_fun1_ref_t 类模板作为适配器，初始化时在内部存储一个单参的non_const型类成员函数指针。调用时当作双参函数（传入的第一个参数实际上是类成员函数所需的该类实例的引用）。
• mem_fun1_t 类模板作为适配器，初始化时在内部存储一个单参的non_const型类成员函数指针。调用时当作双参函数（传入的第一个参数实际上是类成员函数所需的该类实例的指针）。
• pointer_to_binary_function 类模板，用于把一个双参的函数对象转变为可适配的双参函数对象。即在内部定义 first_argument_type, second_argument_type, result_type三个类型。这样才能进一步绑定参数等操作。
• pointer_to_unary_function 类模板，用于把一个单参的函数对象转变为可适配的单参函数对象。即在内部定义 argument_type, result_type两个类型。这样才能进一步绑定参数等操作。
• reference_wrapper 类模板，用于包装对一个实例的引用。如果被包装的类型是单参函数对象或者双参函数对象，则会特化处理。
• result_of 类模板，用于取出一个可调用函数对象的结果类型
• unary_negate 类模板，用于把指定的单参谓词的结果取反。

函数

• bind 把一个多参数函数对象转化为可适配的函数对象，绑定任意的参数为确定的值，重新安排参数对应顺序。
• bind1st C++98用于绑定双参函数的第一个参数为确定的值
• bind2nd C++98用于绑定双参函数的第二个参数为确定的值
• bit_and 返回一个bit_and结构，作为函数对象
• bit_or 返回一个bit_or结构，作为函数对象
• bit_xor 返回一个bit_xor结构，作为函数对象
• cref 把一个实例对象包装为reference_wrapper模板类
• mem_fn 返回一个类成员函数的包装可调用类。调用时显式传递一个类对象实例作为第一个参数。
• mem_fun 返回一个类成员函数的包装类对象mem_fun_t、mem_fun1_t等。用类对象的指针去调用包装类对象。
• mem_fun_ref 返回一个类成员函数的包装类对象mem_fun_ref_t、mem_fun1_ref_t等。用类对象的引用去调用包装类对象。
• not1 返回一个对谓词的结果取反的函数对象包装类
• not2 返回一个对二元谓词的结果取反的函数对象包装类
• ptr_fun 对函数对象，做可适配改造，返回pointer_to_binary_function或者pointer_to_unary_function类对象
• ref 对一个实例对象，返回一个reference_wrapper包装类。以此作为函数对象的参数绑定，还可以修改原实例的值来改变绑定的参数值。
• swap 交换两个function的值。

结构

C++标准头文件functional中预定义了多个函数对象，包括算术运算的plus、minus、multiplies、divides、modulus、negate；比较运算equal_to、not_equal_to、greater、less、greater_equal、less_equal；逻辑运算logical_and、logical_or、logical_not。

• binary_function 一个空基类，用于派生其他的双参函数对象的结构
• divides 做算术除法的函数对象的结构
• equal_to 做相等比较的二元谓词的函数对象的结构
• greater 做大于比较的的二元谓词的函数对象的结构
• greater_equal 做大于比较等于的的二元谓词的函数对象的结构
• less 做小于比较的的二元谓词的函数对象的结构
• less_equal 做小于比较等于的的二元谓词的函数对象的结构
• logical_and 做逻辑与的的二元谓词的函数对象的结构
• logical_not 做逻辑非的的谓词的函数对象的结构
• logical_or 做逻辑或的的二元谓词的函数对象的结构
• minus 做算术减法的函数对象的结构
• modulus 做算术模运算的函数对象的结构
• multiplies 做算术乘法的函数对象的结构
• negate 做算术相反数运算的函数对象的结构
• not_equal_to 做不等比较的二元谓词的函数对象的结构
• plus 做算术加法的函数对象的结构
• unary_function 一个空基类，用于派生其他的单参函数对象的结构

对象

• _1 到 _M 用于指示bind函数的形参对应于被包装函数的那个实参。

运算符

• operator== 比较函数对象是否为空指针
• operator!= 比较函数对象是否不为空指针

参考文献

• C++ reference for standard function objects