C++11中bind繫結器和function函數物件介紹

2022-07-14 22:01:50

一. bind1st和bind2nd

1.C++ STL中的繫結器

bind1st：operator()的第一個形參變數繫結成一個確定的值
bind2nd：operator()的第二個形參變數繫結成一個確定的值

C++11從Boost庫中引入了bind繫結器和function函數物件機制

bind可用於給多元函數降元：Bind + 二元函數物件 = 一元函數物件

#include<iostream>
#include<vector>
#include<functional>
#include<algorithm>//泛型演演算法
#include<ctime>
using namespace std;
template<typename Container>
void showContainer(Container& con)
{
	//typename Container::iterator it=con.begin();
	auto it = con.begin();
	for (; it != con.end(); ++it)
	{
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;
}
int main()
{
	vector<int> vec;
	srand(time(nullptr));
	for (int i = 0; i < 20; ++i)
	{
		vec.push_back(rand() % 100 + 1);
	}
	showContainer(vec);

	sort(vec.begin(), vec.end());//預設從小到大排序
	showContainer(vec);

	//greater需要二元函數物件
	sort(vec.begin(), vec.end(), greater<int>());//從大到小排序
	showContainer(vec);

	/*
	把70按順序插入到vec容器中 ->找第一個小於70的數位
	operator()(const T &val)
	greater a>b
	less a<b
	繫結器+二元函數物件=》一元函數物件
	bind1st:+greater bool operator()(70,const_Ty&_Right)
	bind2nd:+less bool operator()(const_Ty &_Left,70)
	*/
	auto it1 = find_if(vec.begin(), vec.end(), bind1st(greater<int>(), 70));
	if (it1 != vec.end())
	{
		vec.insert(it1, 70);
	}
	showContainer(vec);
	return 0;
}

2.bind1st和bind2nd的底層原理實現

繫結器本身是一個函數物件

#include<iostream>
#include<vector>
#include<functional>
#include<algorithm>
#include<ctime>
using namespace std;
template<typename Container>
void showContainer(Container& con)
{
	auto it = con.begin();
	for (; it != con.end(); ++it)
	{
		cout << *it << " ";
	}
	cout << endl;
}
//遍歷兩個迭代器之間的元素，如果滿足函數物件的運算，就返回當前的迭代器，如果都不滿足就返回end
template<typename Iterator,typename Compare>
Iterator my_find_if(Iterator first, Iterator last, Compare comp)
{
	//這裡傳入的comp是封裝好的一元函數物件
	for (; first != last; ++first)
	{
		if (comp(*first))//獲取容器的一個元素
		{
			return first;
		}
	}
	return last;
}
template<typename Compare,typename T>
class _mybind1st//繫結器是函數物件的一個應用
{
public:
	//這裡傳入的comp是二元函數物件
	_mybind1st(Compare comp,T val)
		:_comp(comp),_val(val){}
	//通過過載operator()把二元函數物件封裝為一元函數物件
	bool operator()(const T& second)
	{
		return _comp(_val, second);
	}
private:
	Compare _comp;
	T _val;
};
template<typename Compare,typename T>
_mybind1st<Compare, T> mybind1st(Compare comp, const T& val)
{
	//直接使用函數模板，好處是可以進行型別的推演
	//這裡傳入的comp是一個二元函數物件
	//通過二元函數物件構造一元函數物件
	//繫結器本身是一個函數物件，也就是過載了operator()
	return _mybind1st<Compare, T>(comp, val);
}
int main()
{
	vector<int> vec;
	srand(time(nullptr));
	for (int i = 0; i < 20; ++i)
	{
		vec.push_back(rand() % 100 + 1);
	}
	showContainer(vec);

	sort(vec.begin(), vec.end());//預設從小到大排序
	showContainer(vec);

	//greater需要二元函數物件
	sort(vec.begin(), vec.end(), greater<int>());//從大到小排序
	showContainer(vec);

	auto it1 = my_find_if(vec.begin(), vec.end(), mybind1st(greater<int>(), 70));
	if (it1 != vec.end())
	{
		vec.insert(it1, 70);
	}
	showContainer(vec);

	return 0;
}

二. 模板的完全特例化和非完全特例化

有完全特例化優先匹配完全特例化，有部分特例化就匹配部分特例化，沒有的話就從原模板自己範例化

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename T>
class Vector
{
public:
	Vector() { cout << "call Vector template init" << endl; }
};
//對char*型別提供完全特例化版本
template<>
class Vector<char*>
{
public:
	Vector() { cout << "call Vector<char*> init" << endl; }
};
//對指標型別提供的部分特例化版本（部分：只知道是個指標，但是指標的型別是什麼不知道）
template<typename Ty>
class Vector<Ty*>
{
public:
	Vector() { cout << "call Vector<Ty*> init" << endl; }
};
//指標函數指標(有返回值，有兩個形參變數)提供的部分特例化
template<typename R,typename A1,typename A2>
class Vector<R(*)(A1, A2)>
{
public:
	Vector() { cout << "call Vector<R(*)(A1,A2)> init" << endl; }
};
//針對函數(有一個返回值，有兩個形參變數)型別提供的部分特例化
template<typename R, typename A1, typename A2>
class Vector<R(A1, A2)>
{
public:
	Vector() { cout << "call Vector<R(A1,A2)> init" << endl; }
};
int sum(int a, int b) { return a + b; }
int main()
{
	Vector<int> vec1;
	Vector<char*> vec2;
	Vector<int*> vec3;
	Vector<int(*)(int, int)> vec4;
	Vector<int(int, int)> vec5;

	//注意區分函數型別和函數指標型別
	typedef int(*PFUNC1)(int, int);
	PFUNC1 pfunc1 = sum;
	cout << pfunc1(10, 20) << endl;

	typedef int PFUNC2(int, int);
	PFUNC2* pfunc2 = sum;
	cout << (*pfunc2)(10, 20) << endl;
	return 0;
}

#include<iostream>
#include<typeinfo>
using namespace std;
//T包含了所有大的型別
template<typename T>
void func(T a)
{
	cout << typeid(T).name() << endl;
}
int sum(int a, int b) { return a + b; }

//把所有形參型別都取出來
template<typename R, typename A1, typename A2>
void func2(R(*a)(A1, A2))
{
	cout << typeid(R).name() << endl;
	cout << typeid(A1).name() << endl;
	cout << typeid(A2).name() << endl;
}
template<typename R,typename T,typename A1,typename A2>
void func3(R(T::*a)(A1, A2))
{
	cout << typeid(R).name() << endl;
	cout << typeid(T).name() << endl;
	cout << typeid(A1).name() << endl;
	cout << typeid(A2).name() << endl;
}
class Test
{
public:
	int sum(int a, int b) { return a + b; }
};
int main()
{
	//func(10);//int
	//func("aaa");//const char *
	func(sum);
	func2(sum);
	func3(&Test::sum);
	return 0;
}

三. function函數物件

繫結器，函數物件，lambda表示式本質上都是函數物件，只能使用在一條語句中，但是如果想要在多條語句中使用，就需要function

使用function函數需要注意：

用函數型別範例化function；
通過function呼叫operator()函數的時候，需要根據函數型別傳入相應的引數。

#include<iostream>
#include<functional>
using namespace std;
void hello1()
{
	cout << "hello world!" << endl;
}
void hello2(string str)
{
	cout << str << endl;
}
int sum(int a, int b)
{
	return a + b;
}
int main()
{
	//從function的模板定義處，看到希望用一個函數型別範例化function
	function<void()> func1 = hello1;
	func1();//func1.operator() => hello1()

	function<void(string)> func2 = hello2;
	func2("hello hello2!");

	function<int(int, int)> func3 = sum;
	cout << func3(2, 3) << endl;

	function<int(int, int)> func4 = [](int a, int b)->int {return a + b; };
	cout << func4(3, 4) << endl;
	return 0;
}

function不僅可以留下普通全域性函數的型別，對於類的成員方法也可以進行型別保留：

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

class Test
{
public://必須依賴一個物件void(Test::*pfunc)(string)
	void hello(string str) { cout << str << endl; }
};
int main()
{
	//成員方法一經編譯都會多一個當前型別的this指標
	function<void (Test*, string)> func = &Test::hello;
	Test t;
	//對於成員方法的呼叫需要依賴一個成員物件
	func(&t, "call Test::hello!");
	return 0;
}

function的特點：可以把所有函數、繫結器、函數物件和lambda表示式的型別保留起來，在其他地方都可以使用。否則繫結器、lambda表示式就只能使用在語句中。

#include<iostream>
#include<functional>
#include<map>
using namespace std;
void doShowAllBooks(){ cout << "檢視所有書籍資訊" << endl; }
void doBorrow() { cout << "借書" << endl; }
void doBack() { cout << "還書" << endl; }
void doQueryBooks() { cout << "查詢書籍" << endl; }
void doLoginOut() { cout << "登出" << endl; }
int main()
{
	int choice = 0;
	//使用function函數物件完成
	map<int, function<void()>> actionMap;
	actionMap.insert({ 1,doShowAllBooks });
	actionMap.insert({ 2,doBorrow });
	actionMap.insert({ 3,doBack });
	actionMap.insert({ 4,doQueryBooks });
	actionMap.insert({ 5,doLoginOut });
	for (;;)
	{
		cout << "------------------" << endl;
		cout << "1.檢視所有書籍資訊" << endl;
		cout << "2.借書" << endl;
		cout << "3.還書" << endl;
		cout << "4.查詢書籍" << endl;
		cout << "5.登出" << endl;
		cout << "------------------" << endl;
		cout << "請選擇：";
		cin >> choice;

		auto it = actionMap.find(choice);
		if (it == actionMap.end())
		{
			cout << "輸入數位無效，重新選擇" << endl;
		}
		else
		{
			it->second();
		}
		//不好，因為這塊程式碼無法閉合，無法做到「開-閉」原則，也就是說這塊程式碼隨著需求的更改需要一直改，永遠也閉合不了，避免不了要產生很多問題
		/*
		switch(choice)
		{
			case 1:break;
			case 2:break;
			case 3:break;
			case 4:break;
			case 5:break;
			default:break;
		}
		*/
	}
	return 0;
}

function的實現原理：

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

void hello(string str) { cout << str << endl; }
int sum(int a, int b) { return a + b; }

template<typename Fty>
class myfunction{};
/*
template<typename R,typename A1>
class myfunction<R(A1)>
{
public:
	//typedef R(*PFUNC)(A1);
	using PFUNC = R(*)(A1);
	myfunction(PFUNC pfunc):_pfunc(pfunc){}
	R operator()(A1 arg)
	{
		return _pfunc(arg);
	}
private:
	PFUNC _pfunc;
};

template<typename R, typename A1,typename A2>
class myfunction<R(A1,A2)>
{
public:
	//typedef R(*PFUNC)(A1);
	using PFUNC = R(*)(A1,A2);
	myfunction(PFUNC pfunc) :_pfunc(pfunc) {}
	R operator()(A1 arg1,A2 arg2)
	{
		return _pfunc(arg1,arg2);
	}
private:
	PFUNC _pfunc;
};
*/
//...表示可變參，A表示的是一組1型別，個數任意
template<typename R, typename... A>
class myfunction<R(A...)>
{
public:
	using PFUNC = R(*)(A...);
	myfunction(PFUNC pfunc) :_pfunc(pfunc) {}
	R operator()(A... arg)
	{
		return _pfunc(arg...);
	}
private:
	PFUNC _pfunc;
};
int main()
{
	myfunction<void(string)> func1(hello);
	func1("hello world");
	myfunction<int(int, int)> func2(sum);
	cout << func2(10, 20) << endl;
	return 0;
}

四. bind和function實現執行緒池

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


//C++11 bind 繫結器=>返回的結果是一個函數物件
void hello(string str) { cout << str << endl; }
int sum(int a, int b) { return a + b; }
class Test
{
public:
	int sum(int a, int b) { return a + b; }
};

int main()
{
	//bind是函數模板，可以自動推演模板型別引數
	bind(hello, "Hello bind!")();
	cout << bind(sum, 20, 30)() << endl;
	cout << bind(&Test::sum, Test(), 20, 30)() << endl;
	
	//function只接受一個型別,繫結器可以給相應的函數繫結固定的引數，繫結器只能使用在語句當中
	//引數預留位置,繫結器出了語句，無法繼續使用
	bind(hello, _1)("hello bind 2");
	cout << bind(sum, _1, _2)(20, 30) << endl;
	
	//此處把bind返回的繫結器binder就複用起來了
	function<void(string)> func1 = bind(hello, _1);
	func1("hello china!");
	func1("hello shan xi!");
	func1("hello da li!");

}

#include<iostream>
#include<functional>
#include<thread>
#include<vector>
using namespace std;
using namespace placeholders;

//執行緒類
class Thread
{
public:
	Thread(function<void(int)> func,int no):_func(func),_no(no){}
	thread start()
	{
		thread t(_func,_no);
		return t;
	}
private:
	function<void(int)> _func;
	int _no;
};
//執行緒池類
class ThreadPool
{
public:
	ThreadPool(){}
	~ThreadPool()
	{
		//釋放thread物件佔用的堆資源
		for (int i = 0; i < _pool.size(); i++)
		{
			delete _pool[i];
		}
	}
	//開啟執行緒池
	void startPool(int size)
	{
		for (int i = 0; i < size; i++)
		{
			//不管是C++裡面的thread還是Linux裡面的pthread需要的執行緒函數都是一個C函數，是不能夠使用成員方法的，因為它是C的函數型別，不可能把成員方法的函數指標給一個C的函數指標，接收不了。所以就需要繫結，把runInThread所依賴的引數全部繫結
			_pool.push_back(new Thread(bind(&ThreadPool::runInThread, this, _1),i));
		}
		for (int i = 0; i < size; i++)
		{
			_handler.push_back(_pool[i]->start());
		}
		for (thread& t : _handler)
		{
			t.join();
		}
	}
private:
	vector<Thread*> _pool;
	vector<thread> _handler;
	//把runInThread這個成員方法充當執行緒函數
	void runInThread(int id)
	{
		cout << "call runInThread! id:" << id << endl;
	}
};
int main()
{
	ThreadPool pool;
	pool.startPool(10);
	return 0;
}

五. lambda表示式

函數物件的應用：使用在泛型演演算法引數傳遞、比較性質、自定義操作、優先順序佇列和智慧指標
函數物件的缺點：需要先定義一個函數物件型別，但是型別定義完後可能只是用在了定義的地方，後面可能不會再用了，沒有必要為了需要一個函數物件定義一個型別，這個型別就永遠在程式碼當中。

C++11函數物件的升級版 => lambda表示式：

lambda表示式：底層依賴函數物件的機制實現的。
lambda表示式語法：[捕獲外部變數](形參列表) ->返回值{操作程式碼};

如果lambda表示式的返回值不需要，那麼“->返回值”可以省略

[捕獲外部變數]

[ ]：表示不捕獲任何外部變數
[=]：以傳值的方式捕獲外部的所有變數
[&]：以傳參照的方式捕獲外部的所有變數[this]：捕獲外部的this指標
[=,&a]：以傳值的方式捕獲外部的所有變數，但是a變數以傳參照的方式捕獲
[a,b]：以傳值的方式捕獲外部變數a和b
[a,&b]：a以值傳遞捕獲，b以傳參照的方式捕獲

1.lambda表示式的實現原理

#include<iostream>
using namespace std;
template<typename T=void>
class TestLambda01
{
public:
	void operator()()
	{
		cout << "hello world" << endl;
	}
};
template<typename T = int>
class TestLambda02
{
public:
	TestLambda02() {}
	int operator()(int a, int b)
	{
		return a + b;
	}
};
template<typename T = int>
class TestLambda03
{
public:
	TestLambda03(int a,int b):ma(a),mb(b){}
	void operator()()const
	{
		int tmp = ma;
		ma = mb;
		mb = tmp;
	}
private:
	mutable int ma;
	mutable int mb;
};
class TestLambda04
{
public:
	TestLambda04(int &a,int &b):ma(a),mb(b){}
	void operator()()const
	{
		int tmp = ma;
		ma = mb;
		mb = tmp;
	}
private:
	int& ma;
	int& mb;
};
int main()
{
	auto func1 = []()->void {cout << "hello world" << endl; };
	func1();

	auto func2 = [](int a, int b)->int {return a + b; };
	cout << func2(20, 30) << endl;

	int a = 10;
	int b = 20;
	//按值傳遞a,b值未被改變
	auto func3 = [a, b]()mutable
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	func3();
	cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;
	
	//傳參照值a,b值被改變
	auto func4 = [&]()
	{
		int tmp = a;
		a = b;
		b = tmp;
	};
	func4();
	cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;

	cout << "--------------------" << endl;
	TestLambda01<> t1;
	t1();
	TestLambda02<> t2;
	cout << t2(20, 30) << endl;
	TestLambda03<> t3(a,b);
	t3();
	cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;
	TestLambda04 t4(a,b);
	t4();
	cout << "a:" << a << " b:" << b << endl;
	
	return 0;
}

mutable:成員變數本身也不是常數，只不過在常方法中this指標被修飾成const，在宣告成員變數前加mutable，可以在const方法中修改普通的成員變數

lambda表示式後面修飾mutable相當於在它的所有成員變數新增一個mutable修飾。

2.lambda表示式的應用實踐

lambda表示式應用於泛型演演算法：

#include<iostream>
#include<vector>
#include<algorithm>
using namespace std;

int main()
{
	vector<int> vec;
	for (int i = 0; i < 20; ++i)
	{
		vec.push_back(rand() % 100 + 1);
	}
	sort(vec.begin(), vec.end(),
		[](int a, int b)->bool
		{
			return a > b;
		});
	for (int val : vec)
	{
		cout << val << " ";
	}
	cout << endl;
	//65按序插入序列 要找一個小於65的數位
	auto it = find_if(vec.begin(), vec.end(),
		[](int a)->bool {return a < 65; });
	if (it != vec.end())
	{
		vec.insert(it, 65);
	}
	for (int val : vec)
	{
		cout << val << " ";
	}
	cout << endl;
	for_each(vec.begin(), vec.end(), [](int a)
	{
		if (a % 2 == 0)
			cout << a << " ";
	});
	cout << endl;
	return 0;
}

既然lambda表示式只能使用在語句中，如果想跨語句使用之前定義好的lambda表示式，採用function型別來表示函數物件的型別。

雜湊表的應用：

#include<iostream>
#include<vector>
#include<map>
#include<functional>
using namespace std;
int main()
{
	//auto只能出現在根據右邊表示式推導左邊的型別，只能使用在函數的區域性作用域的範圍之內
	//預先lambda表示式不知道需要先儲存lambda表示式型別
	map<int, function<int(int, int)>> caculateMap;
	caculateMap[1] = [](int a, int b)->int {return a + b; };
	caculateMap[2] = [](int a, int b)->int {return a - b; };
	caculateMap[3] = [](int a, int b)->int {return a * b; };
	caculateMap[4] = [](int a, int b)->int {return a / b; };

	cout << "請選擇";
	int choice;
	cin >> choice;
	cout << caculateMap[choice](10, 15) << endl;
	return 0;
}

智慧指標自定義刪除器：

#include<iostream>
#include<vector>
#include<functional>
using namespace std;
int main()
{
	unique_ptr<FILE, function<void(FILE*)>>
		ptr1(fopen("data.txt", "w"), [](FILE* pf) {fclose(pf); });
}

傳入函數物件使得容器元素按照指定方式排列：

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

class Data
{
public:
	Data(int val1=10,int val2=10):ma(val1),mb(val2){}
	int ma;
	int mb;
};
int main()
{
	//優先順序佇列
	//priority_queue<Data> queue;
	using FUNC = function<bool(Data&, Data&)>;
	priority_queue<Data, vector<Data>, FUNC>
		maxHeap([](Data& d1, Data& d2)->bool
			{
				return d1.mb > d2.mb;
			});
	maxHeap.push(Data(10, 20));
	maxHeap.push(Data(15, 15));
	maxHeap.push(Data(20, 10));
}

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