三十分钟掌握STL（3）

函数和函数对象

STL中，函数被称为算法，也就是说它们和标准C库函数相比，它们更为通用。STL算法通过重载operator()函数实现为模板类或模板函数。这些类用于创建函数对象，对容器中的数据进行各种各样的操作。下面的几节解释如何使用函数和函数对象。

函数和断言

经常需要对容器中的数据进行用户自定义的操作。例如，你可能希望遍历一个容器中所有对象的STL算法能够回调自己的函数。例如

#include <iostream.h>

#include <stdlib.h>     // Need random(), srandom()

#include <time.h>       // Need time()

#include <vector>       // Need vector

#include <algorithm>    // Need for_each()

 

#define VSIZE 24        // Size of vector

vector<long> v(VSIZE);  // Vector object

 

// Function prototypes

void initialize(long &ri);

void show(const long &ri);

bool isMinus(const long &ri);  // Predicate function

 

int main()

{

  srandom( time(NULL) );  // Seed random generator

 

  for_each(v.begin(), v.end(), initialize);//调用普通函数

  cout << "Vector of signed long integers" << endl;

  for_each(v.begin(), v.end(), show);

  cout << endl;

 

  // Use predicate function to count negative values

  //

  int count = 0;

  vector<long>::iterator p;

  p = find_if(v.begin(), v.end(), isMinus);//调用断言函数

  while (p != v.end()) {

    count++;

    p = find_if(p + 1, v.end(), isMinus);

  }

  cout << "Number of values: " << VSIZE << endl;

  cout << "Negative values : " << count << endl;

 

  return 0;

}

 

// Set ri to a signed integer value

void initialize(long &ri)

{

  ri = ( random() - (RAND_MAX / 2) );

  //  ri = random();

}

 

// Display value of ri

void show(const long &ri)

{

  cout << ri << "  ";

}

 

// Returns true if ri is less than 0

bool isMinus(const long &ri)

{

  return (ri < 0);

}

 

所谓断言函数，就是返回bool值的函数。

函数对象

除了给STL算法 传递一个回调函数，你还可能需要传递一个类对象以便执行更复杂的操作。这样的一个对象就叫做函数对象。实际上函数对象就是一个类，但它和回调函数一样可以被回调。例如，在函数对象每次被for_each()或find_if()函数调用时可以保留统计信息。函数对象是通过重载operator()()实现 的。如果TanyClass定义了opeator()(),那么就可以这么使用：

TAnyClass object;  // Construct object

object();          // Calls TAnyClass::operator()() function

for_each(v.begin(), v.end(), object);

STL定义了几个函数对象。由于它们是模板，所以能够用于任何类型，包括C/C++固有的数据类型，如long。有些函数对象从名字中就可以看出它的用途，如plus()和multiplies()。类似的greater()和less-equal()用于比较两个值。

注意

有些版本的ANSI C++定义了times()函数对象，而GNU C++把它命名为multiplies()。使用时必须包含头文件<functional>。

一个有用的函数对象的应用是accumulate() 算法。该函数计算容器中所有值的总和。记住这样的值不一定是简单的类型，通过重载operator+()，也可以是类对象。

Listing 8. accum.cpp 

#include <iostream.h>

#include <numeric>      // Need accumulate()

#include <vector>       // Need vector

#include <functional>   // Need multiplies() (or times())

 

#define MAX 10

vector<long> v(MAX);    // Vector object

 

int main()

{

  // Fill vector using conventional loop

  //

  for (int i = 0; i < MAX; i++)

    v[i] = i + 1;

 

  // Accumulate the sum of contained values

  //

  long sum =

    accumulate(v.begin(), v.end(), 0);

  cout << "Sum of values == " << sum << endl;

 

  // Accumulate the product of contained values

  //

  long product =

    accumulate(v.begin(), v.end(), 1, multiplies<long>());//注意这行

  cout << "Product of values == " << product << endl;

 

  return 0;

}

编译输出如下：

$ g++ accum.cpp

$ ./a.out

Sum of values == 55

Product of values == 3628800

『注意使用了函数对象的accumulate()的用法。accumulate() 在内部将每个容器中的对象和第三个参数作为multiplies函数对象的参数,multiplies(1,v)计算乘积。VC中的这些模板的源代码如下：

        // TEMPLATE FUNCTION accumulate

template<class _II, class _Ty> inline

    _Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V)

    {for (; _F != _L; ++_F)

        _V = _V + *_F;

    return (_V); }

        // TEMPLATE FUNCTION accumulate WITH BINOP

template<class _II, class _Ty, class _Bop> inline

    _Ty accumulate(_II _F, _II _L, _Ty _V, _Bop _B)

    {for (; _F != _L; ++_F)

        _V = _B(_V, *_F);

    return (_V); }

        // TEMPLATE STRUCT binary_function

template<class _A1, class _A2, class _R>

    struct binary_function {

    typedef _A1 first_argument_type;

    typedef _A2 second_argument_type;

    typedef _R result_type;

    };

        // TEMPLATE STRUCT multiplies

template<class _Ty>

    struct multiplies : binary_function<_Ty, _Ty, _Ty> {

    _Ty operator()(const _Ty& _X, const _Ty& _Y) const

        {return (_X * _Y); }

    };

引言：如果你想深入了解STL到底是怎么实现的，最好的办法是写个简单的程序，将程序中涉及到的模板源码给copy下来，稍作整理，就能看懂了。所以没有必要去买什么《STL源码剖析》之类的书籍，那些书可能反而浪费时间。』

发生器函数对象

有一类有用的函数对象是“发生器”(generator)。这类函数有自己的内存，也就是说它能够从先前的调用中记住一个值。例如随机数发生器函数。

普通的C程序员使用静态或全局变量 “记忆”上次调用的结果。但这样做的缺点是该函数无法和它的数据相分离『还有个缺点是要用TLS才能线程安全』。显然，使用类来封装一块：“内存”更安全可靠。先看一下例子：

Listing 9. randfunc.cpp

#include <iostream.h>

#include <stdlib.h>    // Need random(), srandom()

#include <time.h>      // Need time()

#include <algorithm>   // Need random_shuffle()

#include <vector>      // Need vector

#include <functional>  // Need ptr_fun()

 

using namespace std;

 

// Data to randomize

int iarray[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

vector<int> v(iarray, iarray + 10);

 

// Function prototypes

void Display(vector<int>& vr, const char *s);

unsigned int RandInt(const unsigned int n);

 

int main()

{

  srandom( time(NULL) );  // Seed random generator

  Display(v, "Before shuffle:");

 

  pointer_to_unary_function<unsigned int, unsigned int>

    ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt);  // Pointer to RandInt()//注意这行

  random_shuffle(v.begin(), v.end(), ptr_RandInt);

 

  Display(v, "After shuffle:");

  return 0;

}

 

// Display contents of vector vr

void Display(vector<int>& vr, const char *s)

{

  cout << endl << s << endl;

  copy(vr.begin(), vr.end(), ostream_iterator<int>(cout, " "));

  cout << endl;

}

 

 

// Return next random value in sequence modulo n

unsigned int RandInt(const unsigned int n)

{

  return random() % n;

}

编译运行结果如下：

$ g++ randfunc.cpp

$ ./a.out

Before shuffle:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

After shuffle:

6 7 2 8 3 5 10 1 9 4

首先用下面的语句申明一个对象：

pointer_to_unary_function<unsigned int, unsigned int>

  ptr_RandInt = ptr_fun(RandInt);

这儿使用STL的单目函数模板定义了一个变量ptr_RandInt，并将地址初始化到我们的函数RandInt()。单目函数接受一个参数，并返回一个值。现在random_shuffle()可以如下调用：

random_shuffle(v.begin(), v.end(), ptr_RandInt);

在本例子中，发生器只是简单的调用rand()函数。

 

关于常量引用的一点小麻烦（不翻译了，VC下将例子中的const去掉）

发生器函数类对象

下面的例子说明发生器函数类对象的使用。

Listing 10. fiborand.cpp

#include <iostream.h>

#include <algorithm>   // Need random_shuffle()

#include <vector>      // Need vector

#include <functional>  // Need unary_function

 

using namespace std;

 

// Data to randomize

int iarray[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

vector<int> v(iarray, iarray + 10);

 

// Function prototype

void Display(vector<int>& vr, const char *s);

 

// The FiboRand template function-object class

template <class Arg>

class FiboRand : public unary_function<Arg, Arg> {

  int i, j;

  Arg sequence[18];

public:

  FiboRand();

  Arg operator()(const Arg& arg);

};

 

void main()

{

  FiboRand<int> fibogen;  // Construct generator object

  cout << "Fibonacci random number generator" << endl;

  cout << "using random_shuffle and a function object" << endl;

  Display(v, "Before shuffle:");

  random_shuffle(v.begin(), v.end(), fibogen);

  Display(v, "After shuffle:");

}

 

// Display contents of vector vr

void Display(vector<int>& vr, const char *s)

{

  cout << endl << s << endl;

  copy(vr.begin(), vr.end(),

    ostream_iterator<int>(cout, " "));

  cout << endl;

}

 

// FiboRand class constructor

template<class Arg>

FiboRand<Arg>::FiboRand()

{

  sequence[17] = 1;

  sequence[16] = 2;

  for (int n = 15; n > 0; n—)

    sequence[n] = sequence[n + 1] + sequence[n + 2];

  i = 17;

  j = 5;

}

 

// FiboRand class function operator

template<class Arg>

Arg FiboRand<Arg>::operator()(const Arg& arg)

{

  Arg k = sequence[i] + sequence[j];

  sequence[i] = k;

  i--;

  j--;

  if (i == 0) i = 17;

  if (j == 0) j = 17;

  return k % arg;

}

编译运行输出如下:

$ g++ fiborand.cpp

$ ./a.out

Fibonacci random number generator

using random_shuffle and a function object

Before shuffle:

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

After shuffle:

6 8 5 4 3 7 10 1 9

该程序用完全不通的方法使用使用rand_shuffle。Fibonacci 发生器封装在一个类中，该类能从先前的“使用”中记忆运行结果。在本例中，类FiboRand 维护了一个数组和两个索引变量I和j。

FiboRand类继承自unary_function() 模板:

template <class Arg>

class FiboRand : public unary_function<Arg, Arg> {...

Arg是用户自定义数据类型。该类还定以了两个成员函数，一个是构造函数，另一个是operator()（）函数，该操作符允许random_shuffle()算法象一个函数一样“调用”一个FiboRand对象。

绑定器函数对象

一个绑定器使用另一个函数对象f()和参数值V创建一个函数对象。被绑定函数对象必须为双目函数，也就是说有两个参数,A和B。STL 中的帮定器有：

·        bind1st() 创建一个函数对象，该函数对象将值V作为第一个参数A。

·        bind2nd()创建一个函数对象，该函数对象将值V作为第二个参数B。

举例如下：

Listing 11. binder.cpp

#include <iostream.h>

#include <algorithm>

#include <functional>

#include <list>

 

using namespace std;

 

// Data

int iarray[10] = {1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10};

list<int> aList(iarray, iarray + 10);

 

int main()

{

  int k = 0;

  count_if(aList.begin(), aList.end(),

    bind1st(greater<int>(), 8), k);

  cout << "Number elements < 8 == " << k << endl;

  return 0;

}

Algorithm count_if()计算满足特定条件的元素的数目。 这是通过将一个函数对象和一个参数捆绑到为一个对象，并将该对象作为算法的第三个参数实现的。注意这个表达式:

bind1st(greater<int>(), 8)

该表达式将greater<int>()和一个参数值8捆绑为一个函数对象。由于使用了bind1st()，所以该函数相当于计算下述表达式：

8 > q

表达式中的q是容器中的对象。因此，完整的表达式

count_if(aList.begin(), aList.end(),

  bind1st(greater<int>(), 8), k);

计算所有小于或等于8的对象的数目。

否定函数对象

所谓否定(negator)函数对象，就是它从另一个函数对象创建而来，如果原先的函数返回真，则否定函数对象返回假。有两个否定函数对象：not1()和not2()。not1()接受单目函数对象，not2()接受双目函数对象。否定函数对象通常和帮定器一起使用。例如，上节中用bind1nd来搜索q<=8的值：

  count_if(aList.begin(), aList.end(),

    bind1st(greater<int>(), 8), k);

如果要搜索q>8的对象，则用bind2st。而现在可以这样写：

start = find_if(aList.begin(), aList.end(),

  not1(bind1nd(greater<int>(), 6)));

你必须使用not1，因为bind1nd返回单目函数。

总结：使用标准模板库 (STL)

尽管很多程序员仍然在使用标准C函数，但是这就好像骑着毛驴寻找Mercedes一样。你当然最终也会到达目标，但是你浪费了很多时间。

尽管有时候使用标准C函数确实方便(如使用sprintf()进行格式化输出)。但是C函数不使用异常机制来报告错误，也不适合处理新的数据类型。而且标准C函数经常使用内存分配技术，没有经验的程序员很容易写出bug来。.

C++标准库则提供了更为安全，更为灵活的数据集处理方式。STL最初由HP实验室的Alexander Stepanov和Meng Lee开发。最近，C++标准委员会采纳了STL，尽管在不同的实现之间仍有细节差别。

STL的最主要的两个特点：数据结构和算法的分离，非面向对象本质。访问对象是通过象指针一样的迭代器实现的；容器是象链表，矢量之类的数据结构，并按模板方式提供；算法是函数模板，用于操作容器中的数据。由于STL以模板为基础，所以能用于任何数据类型和结构。