C++11学习之包装器解析

2023-02-13 12:02

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概念

function包装器也叫作适配器。C++中的function本质是一个类模板，也是一个包装器。

那么我们来看看，我们为什么需要function呢？

包装器定义式：

// 类模板原型如下
template <class T> function;     // undefined
template <class Ret, class... Args>
class function<Ret(Args...)>;

模板参数说明：

Ret：是被包装的可调用对象的返回值类型
Args... ：是被包装的可调用对象的形参类型

function包装器可以对可调用对象进行包装，包括函数指针、函数名、仿函数（函数对象）、lambda表达式

int f(int a, int b)
{
	return a + b;
}

struct Functor
{
public:
	int operator() (int a, int b)
	{
		return a + b;
	}
};

class Plus
{
public:
	//静态 vs 非静态
	static int plusi(int a, int b)
	{
		return a + b;
	}

	double plusd(double a, double b)
	{
		return a + b;
	}
};

int main()
{
	function<int(int, int)> f1 = f;
	f1(1, 2);

	function<int(int, int)> f2 = Functor();
	f2(1, 2);

	function<int(int, int)> f3 = Plus::plusi;
	f3(1, 2);

	//非静态成员函数    要 + 对象
	function<double(Plus, double, double)> f4 = &Plus::plusd;
	f4(Plus(), 1.1, 2.2);

	return 0;
}

注意事项：

取静态成员函数的地址可以不用取地址运算符“&”，但取非静态成员函数的地址必须使用取地址运算符“&”

非静态成员函数在调用的时候要 + 对象，因为非静态成员函数的第一个参数是隐藏this指针，所以在包装时需要指明第一个形参的类型为类的类型。

类型统一

对于以下函数模板useF：

传入该函数模板的第一个参数可以是任意的可调用对象，比如函数指针、仿函数、lambda表达式等
useF中定义了静态变量count，并在每次调用时将count的值和地址进行了打印，可判断多次调用时调用的是否是同一个useF函数。

代码如下：

template<class F, class T>
T useF(F f, T x)
{
    static int count = 0;
    cout << "count:" << ++count << endl;
    cout << "count:" << &count << endl;
    return f(x);
}

在不使用包装器，直接传入对象的时候，会实例化出三份

double f(double i)
{
	return i / 2;
}
struct Functor
{
	double operator()(double d)
	{
		return d / 3;
	}
};
int main()
{
	//函数指针
	cout << useF(f, 11.11) << endl;

	//仿函数
	cout << useF(Functor(), 11.11) << endl;

	//lambda表达式
	cout << useF([](double d)->double{return d / 4; }, 11.11) << endl;
	return 0;
}

输出结果如下：

由于函数指针、仿函数、lambda表达式是不同的类型，因此useF函数会被实例化出三份，三次调用useF函数所打印count的地址也是不同的。

但实际这里其实没有必要实例化出三份useF函数，因为三次调用useF函数时传入的可调用对象虽然是不同类型的，但这三个可调用对象的返回值和形参类型都是相同的
这时就可以用包装器分别对着三个可调用对象进行包装，然后再用这三个包装后的可调用对象来调用useF函数，这时就只会实例化出一份useF函数
根本原因就是因为包装后，这三个可调用对象都是相同的function类型，因此最终只会实例化出一份useF函数，该函数的第一个模板参数的类型就是function类型的

包装后代码如下：

int main()
{
	// 函数指针
	function<double(double)> f1 = f;
	cout << useF(f1, 11.11) << endl;

	// 函数对象
	function<double(double)> f2 = Functor();
	cout << useF(f2, 11.11) << endl;

	// lamber表达式
	function<double(double)> f3 = [](double d)->double { return d / 4; };
	cout << useF(f3, 11.11) << endl;

	return 0;
}

例题：求解逆波兰表达式

题目：

解题思路：

首先定义一个栈，依次遍历所给字符串
遇到数字，直接入栈，遇到操作符，则从栈定抛出两个数字进行对应的运算，并将运算后得到的结果压入栈中
所给字符串遍历完毕后，栈顶的数字就是逆波兰表达式的计算结果

此处的包装器：

建立各个运算符与其对应需要执行的函数之间的映射关系，当需要执行某一运算时就可以直接通过运算符找到对应的函数进行执行
当运算类型增加时，就只需要建立新增运算符与其对应函数之间的映射关系即可（其他代码不用动）

class Solution {
public:
    int evalRPN(vector<string>& tokens) {
        stack<long long> st;
        map<string, function<long long(long long, long long)>> opfuncMap = 
        {
            //自动构造pair ~ 初始化列表构造
            {"+", [](long long a , long long b){return a + b;}},
            {"-", [](long long a , long long b){return a - b;}},
            {"*", [](long long a , long long b){return a * b;}},
            {"/", [](long long a , long long b){return a / b;}},
        };


        for(auto& str : tokens)
        {
            if(opfuncMap.count(str))
            {
                //操作符 ：出栈(先出右，再出左)
                long long right = st.top();
                st.pop();
                long long left = st.top();
                st.pop();
                st.push(opfuncMap[str](left, right));
            }
            else
            {
                //操作数：入栈
                st.push(stoll(str));
            }
        }
        return st.top();
    }
};

包装器的意义

将可调用对象的类型进行统一，便于我们对其进行统一化管理。

包装后明确了可调用对象的返回值和形参类型，更加方便使用者使用。

bind 包装器

bind 是一种函数包装器，也叫做适配器。它可以接受一个可调用对象，生成一个新的可调用对象来“适应”原对象的参数列表，C++ 中的 bind 本质还是一个函数模板

bind函数模板的原型如下：

template <class Fn, class... Args>
 bind(Fn&& fn, Args&&... args);
template <class Ret, class Fn, class... Args>
 bind(Fn&& fn, Args&&... args);

模板参数说明：

fn：可调用对象
args...：要绑定的参数列表：值或占位符

调用bind的一般形式

auto newCallable = bind(callable, arg_list);

callable：需要包装的可调用对象

newCallable：生成的新的可调用对象

arg_list：逗号分隔的参数列表，对应给定的 callable 的参数，当调用 newCallable时，newCallable 会调用 callable，并传给它 arg_list 中的参数

_1 _2 ... 是定义在placeholders命名空间中，代表绑定函数对象的形参；_1代表第一个形参，_2代表第二个形参 …

举例：

using namespace placeholders;
int x = 2, y = 10;
Div(x, y);

auto bindFun1 = bind(Div, _1, _2);

bind 绑定固定参数

原本传入的参数要求是要3个，现在只需要输入两个参数，因为绑定了固定的函数对象

using namespace placeholders;

class Sub
{
public:
	int sub(int a, int b)
	{
		return a - b;
	}
};

int main()
{
	//function<int(Sub, int, int)> fsub = &Sub::sub;
	function<int(int, int)> fsub = bind(&Sub::sub, Sub(), _1, _2);
}

想把Mul函数的第三个参数固定绑定为1.5，可以在绑定时将参数列表的placeholders::_3设置为1.5。比如：

int Mul(int a, int b, int rate)
{
	return a * b * rate;
}

int main()
{
	function<int(int, int)> fmul = bind(Mul, _1, _2, 1.5);
}

调整传参顺序

对于 Sub 类中的 sub 函数，因为 sub 的第一个参数是隐藏的 this 指针，如果想要在调用 sub 时不用对象进行调用，那么可以将 sub 的第一个参数固定绑定为一个 Sub 对象：

using namespace placeholders;

class Sub
{
public:
	int sub(int a, int b)
	{
		return a - b;
	}
};
int main()
{
	//绑定固定参数
	function<int(int, int)> func = bind(&Sub::sub, Sub(), _1, _2);
	cout << func(1, 2) << endl; 
	return 0;
}

此时调用对象时就只需要传入用于相减的两个参数，因为在调用时会固定帮我们传入一个匿名对象给 this 指针。

如果想要将 sub 的两个参数顺序交换，那么直接在绑定时将 _1 和_2 的位置交换一下就行了：

using namespace placeholders;

class Sub
{
public:
    int sub(int a, int b)
    {
        return a - b;
    }
};
int main()
{
    //绑定固定参数
    function<int(int, int)> func = bind(&Sub::sub, Sub(), _2, _1);
    cout << func(1, 2) << endl; 
    return 0;
}

其原理：第一个参数会传给_1，第二个参数会传给 _2，因此可以在绑定时通过控制 _n 的位置，来控制第 n 个参数的传递位置