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[C++]高效定义STL比较函数的一些建议

2016-07-19

在STL的使用中,我们经常需要自定义比较函数。本文将介绍如何完成这一类的函数,并且给出可靠而高效的使用建议

函数与函数子

在STL的使用中,我们经常需要自定义比较函数。本文将介绍如何完成这一类的函数,并且给出可靠而高效的使用建议。

1. mem_fun, ptr_fun, mem_fun_ref

mem_fun, ptr_fun, mem_fun_ref主要的任务是为了掩盖C++语言中一个内在的语法不一致的问题。

调用一个函数,C++提供了三种方法。

f(x); //  语法1:非成员函数的调用。
x.f(); // 语法2:成员函数的调用。
p->f(); // 语法3:指针调用成员函数。

对于语法1:

#include 
#include 
using namespace std;
class Widget {
public:
};
void test(const Widget& one) {
    cout << "test fine!" << endl;
}
int main() {
    vector vw;
    for_each(vw.begin(), vw.end(), ptr_fun(test));  //  这里是不是用ptr_fun都没有问题。
    return 0;
}

对于语法2:上面的写法就不再合适了,后文给出相应解释。正确的做法如下,调用mem_fun_ref。

#include 
#include 
using namespace std;
class Widget {
public:
    void test() {
        cout << "test fine!" << endl;
    }
};
int main() {
    vector vw;
    for_each(vw.begin(), vw.end(), mem_fun_ref(&Widget::test));
    return 0;
}

对于语法3:

#include 
#include 
using namespace std;
class Widget {
public:
    void test() {
        cout << "test fine!" << endl;
    }
};
int main() {
    vector vw;
    for_each(vw.begin(), vw.end(), mem_fun(&Widget::test));
    return 0;
}

这三种不同情况的调用写法。那么原因究竟是什么呢?

从以下for_each的实现中,我们可以看出,for_each的实现是基于使用语法1的

template
UnaryFunction for_each(InputIt first, InputIt last, UnaryFunction f)
{
    for (; first != last; ++first) {
        f(*first);
    }
    return f;
}

这是STL中一个常见的惯例,函数或者函数对象在被调用时,总是使用非成员函数的语法形式。 所以直接使用语法2和语法3无法通过编译也就非常显然了。而mem_fun和mem_fun_ref就是为了把他们转换为相应的语法1的形式。

mem_fun的声明是这样的:

template 
mem_fun_t
mem_fun(R(C::*pmf)());

mem_fun_t是一个函数对象配接器,他是一个函数子类,他拥有该函数对象的指针,并且提供了operator()函数,在 operator()中调用通过参数传递进来的对象上的该成员函数。

与此类似的,mem_fun_ref也做了相同的事情。

所以简单的说,每次在讲一个成员函数传递给一个STL组件的时候,就要使用它们。

2. 如果一个类是函数子,则应该使它可配接

在STL中4个标准的函数配接器(not1, not2, bind1st和bind2nd)都要求一些特殊的类型定义(分别是argument_type, first_argument_type, second_argument_type, return_type)。提供了这些类型定义的函数对象被称为可配接的函数对象。

#include 
#include 
using namespace std;
bool check(int i) {
    return i == 3;
}
int main() {
    vector v_i{1, 2, 3, 4, 5, 6l, 4};
    vector::iterator iter = find_if(v_i.begin(), v_i.end(), not1(check));
    cout << *iter << endl;
    return 0;
}

这个代码的意图是找到第一个不满足check的元素。但发现这个函数是不能通过编译的。原因在与not1需要特殊的类型定义,所以需要做一个简单的调整才能通过编译。

vector::iterator iter = find_if(v_i.begin(), v_i.end(), not1(ptr_fun(check)));

如果你需要编写函数子类的话,一定要从基结构中继承。operator()只有一个参数时,继承std::unary_function, 有两个参数时,继承std::binary_function。

#include 
#include 
using namespace std;
class check : public unary_function {
private:
    int i;
public:
    check(int t = 0) {
        i = t;
    }
    bool operator()(const check& orig) const {
        return orig.i == i;
    }
};
int main() {
    vector v_i{1, 2, 3, 4, 5, 6l, 4};
    vector::iterator iter = find_if(v_i.begin(), v_i.end(), not1(check(1)));
    cout << *iter << endl;
    return 0;
}

如果此时没有继承于 unary_function

#include 
#include 
using namespace std;
struct check : public binary_function {
    bool operator()(const int* i, const int* j) const {
        return *i < *j;
    }
};
int main() {
    vector v_i;
    v_i.push_back(new int (2));
    v_i.push_back(new int (4));
    v_i.push_back(new int (3));
    int* temp = new int (3);
    vector::iterator iter = find_if(v_i.begin(), v_i.end(), bind2nd(check(), temp));
    cout << **iter << endl;
    return 0;
}

3. 遵循按值传递的原则来设计函数子类

C++和C的标准库函数都遵循一个规则,函数指针都是按值传递的。

STL函数对象是函数指针的一种抽象和建模形式,所以,按照惯例,在STL中,函数对象在函数之间来回传递的时候也是按值传递的。这虽然可以通过强制类型来使其按引用传递,但这种做法是很危险的。因为STL的某些配接器和算法在接受函数对象时,会考虑效率,从而使其为引用类型,如果此时你在模板参数中再声明为引用,引用的引用是不可编译的。

函数指针是按值传递意味着两件事:

你的函数对象必须足够小,否则复制的开销会非常大。 函数对象必须是单态的。因为多态不可行,会出现剥离问题。

但是视图禁止多态的函数子同样是不切实际的,解决方法就是把所需的数据和虚函数从函数子类中分离出来,放在一个新的类中,然后在函数子类中包含一个指针,指向这个新类的对象。

例如,你希望创建一个包含大量数据并且使用了多态性的函数子类:

template 
class BPFC : unary_function {
private:
    Widget w;
    int x;
public:
    virtual void operator()(const T& orig) const;
};

那么就应该创建一个小巧的,单态的类,其中包含一个指针,指向另一个实现的类,并且所有的数据和虚函数都放在哪个实现类中:

template 
class BPFC : unary_function {
private:
    BPFCImpl *pIMPl;
public:
    void operator()(const T& orig) const {
        pIMPl->operator()(orig);
    }
};
template 
class BPFCImpl : unary_function {
private:
    Widget w;
    int x;
    virtual ~BPFCImpl();
    virtual void operator()(const T& orig) const;
    friend class BPFC;
};

这里还有最后一个问题就是,要谨慎处理BPFC的拷贝构造函数,使其正确地处理它所指向的BPFCImpl对象。简单的方法是使用引用计数的智能指针。shard_ptr。

4. 确保判别式是“纯函数”

首先给出几个概念。

判别式(predicate): 是一个返回值为bool的函数。对于STL中需要的比较函数一般都是用判别式的。 纯函数(pure function):是指返回值仅仅依赖于其参数的函数。例如,同样的参数两次传入,其返回值是相同的。 判别式类(predicate class):是一个函数子类,它的operator()是一个判别式,返回bool。STL中范式接受判别式的地方,就既可以接受一个真正的判别式,也可以接受一个判别式类的对象。

那么为什么要确保判别式是纯函数呢?

前文我们提到,函数对象是通过传值传递的,所以你应该设计出可以被正确复制的函数对象。除此以外,对于用作判别式的函数对象,当它们被复制时,还有另一个需要特别注意的地方:接受函数子的STL算法可能会先创建函数子的副本,然后存放起来再使用这些副本,而且有些STL算法实现也确实利用了这一特性,而这一特性的直接反应是:要求判别式函数一定是纯函数

加入我们设计了如下的判别式类,在调用remove_if就会出现问题。

class BadPredicate : public unary_function {
public:
    BadPredicate() : times(0) {}
    bool operator()(const Widget&) {
        return ++times == 3;
    }
private:
    int times;
};

我们来看看remove_if的函数实现就明白了。它的可能实现是这样的。

template
ForwardIt remove_if(ForwardIt first, ForwardIt last, UnaryPredicate p)
{
    first = std::find_if(first, last, p);
    if (first != last) {
            return first;
    } else {
            ForwardIt next = begin;
            return remove_copy_if(++next, last, first, p);
    }
}

本来我们是希望移除第3个元素,但通过这个实现的remove_if实际上我们还删除了第6个元素。因为predicate被按值传递,函数子类被重新构造。

实际上,解决方法最简单的就是,永远把operator()声明为const。但这还不够,因为即使是const成员函数,还是可以访问mutable, 非const的局部static对象,非const的类static对象,非const的全局对象等等。

上面的例子,就算是尝试使用static变量也是不行的。因为判别式一定要是纯函数!

所以,最重要的一点就是!确保判别式一定是纯函数!

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